JP2013191362A - 燃料電池診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池における反応ガスの供給状態を的確に診断可能な燃料電池診断装置を提供する。
【解決手段】低周波の交流信号を印加した際の局所インピーダンスから、対象セル１０の乾湿状態（乾燥状態および湿潤状態）により変化する膜抵抗、および燃料電池１の負荷変動により変化する活性化抵抗の影響を除去して算出した拡散インピーダンスに基づいて、燃料電池１の反応ガスの供給状態を診断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池の状態を診断する燃料電池診断装置に関する。

従来、交流インピーダンス法により燃料電池のインピーダンスを測定し、測定したインピーダンスに基づいて、燃料電池の状態を診断する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、高周波数領域および低周波数領域といった異なる周波数領域のインピーダンスを測定し、測定した高周波数領域のインピーダンスに基づいて燃料電池の乾湿状態を診断すると共に、低周波数領域のインピーダンスに基づいて燃料電池に供給される反応ガスの供給状態等を診断するようにしている。

特開２００７−１２４１９号公報

ところで、燃料電池における低周波数領域のインピーダンスは、反応ガスの供給状態以外にも、燃料電池内部の乾湿状態（乾燥状態および湿潤状態）や燃料電池の負荷変動（電流密度の変化）の影響によって大きく変化する傾向がある。

このため、従来の技術の如く、単に低周波数領域のインピーダンスに基づいて燃料電池に供給される反応ガスの供給状態を診断しようとしても、燃料電池における反応ガスの供給状態を的確に診断することができないという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池における反応ガスの供給状態を的確に診断可能な燃料電池診断装置を提供することを目的とする。

本発明は、酸化剤ガスおよび燃料ガスといった反応ガスを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０）が積層された固体高分子型の燃料電池（１）に適用され、燃料電池の状態を診断する燃料電池診断装置を対象としている。

本発明は、上記目的を達成するため、燃料電池に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流信号、および基準周波数よりも高い高周波数の交流信号を印加する交流印加手段（４３１）と、複数のセルのうち、診断対象となる対象セル（１０）のセル電圧を検出する電圧検出手段（４２）と、対象セルにおける所定の局所部位を流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４１）と、交流印加手段にて低周波数の交流信号を印加した際のセル電圧、および局所電流に基づいて、対象セルの局所部位の局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（４３２）と、交流印加手段にて高周波数の交流信号を印加した際のセル電圧、および局所電流に基づいて、対象セルの局所部位の膜抵抗を算出する膜抵抗算出手段（４３３）と、局所インピーダンスを補正して局所インピーダンスに含まれる拡散インピーダンスを算出する補正手段（４３４）と、拡散インピーダンスに基づいて燃料電池への反応ガスの供給状態を診断する診断手段（４３５）と、を備える。そして、補正手段は、局所インピーダンスから膜抵抗、および燃料電池の負荷変動に応じて変化する対象セルの活性化抵抗の影響を除去することで拡散インピーダンスを算出することを特徴としている。

これによれば、低周波数の交流信号を印加した際の局所インピーダンスから、対象セルの乾湿状態（乾燥状態および湿潤状態）により変化する膜抵抗、および燃料電池の負荷変動により変化する活性化抵抗の影響を除去して算出した拡散インピーダンスに基づいて、燃料電池の反応ガスの供給状態を診断する構成としているので、燃料電池における反応ガスの供給状態を的確に診断することが可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池診断装置の全体構成図である。 交流信号を印加した際の出力電流を説明するための説明図である。 第１実施形態に係るセルの等価回路図である。 セルへの空気の供給状態が酸素不足状態となる際の等価回路図である。 セルへの空気の供給状態を変化させた際の理想的なコールコールプロットを示す図表である。 燃料電池の負荷変動が生じた際の理想的なコールコールプロットを示す図表である。 燃料電池の電流−電圧特性を示す特性図である。 第１実施形態に係る信号処理装置が実行する燃料電池の空気の供給状態を診断する診断処理の流れを示すフローチャートである。 カソード電極の拡散インピーダンスと酸素濃度との関係を示す特性図である。 第２実施形態に係る燃料電池診断装置の全体構成図である。 セルへの水素の供給状態が水素不足状態となる際の等価回路図である。 第２実施形態に係る信号処理装置が実行する燃料電池の水素の供給状態を診断する診断処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について、図１〜図１０に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、図示しない車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。

図１の全体構成図に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電気エネルギを出力する固体高分子型の燃料電池１を備えている。この燃料電池１は、車両走行用電動モータや二次電池といった各種電気負荷に供給される電気エネルギを出力する。燃料電池１は、基本単位となるセル１０が複数積層され、各セル１０を電気的に直列に接続した直列接続体として構成されている。

具体的には、図２に示すように、各セル１０は、固体高分子からなる電解質膜１００ａの両側面に一対の触媒電極層１００ｂ、１００ｃが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１００と、膜電極接合体１００を狭持する一対のセパレータ１０１、１０２で構成されている。

一対のセパレータ１０１、１０２のうち、アノード電極１００ｂに対向するセパレータ１０１には、燃料ガスとしての水素を導入する水素入口部１０１ａ、アノード電極１００ｂに水素を供給する水素流路１０１ｃ、水素流路１０１ｃから水素を導出する水素出口部１０１ｂが形成されている。

また、一対のセパレータ１０１、１０２のうち、カソード電極１００ｃに対向するセパレータ１０２には、酸化剤ガスとしての空気を導入する空気入口部１０２ａ、カソード電極１００ｃに酸素を供給する空気流路１０２ｃ、空気流路１０２ｃから空気を導出する空気出口部１０２ｂが形成されている。各セパレータ１０１、１０２は、水素流路１０１ｃを流通する水素の流れ方向と空気流路１０２ｃを流通する空気の流れ方向とが互いに対向流となるように、各入口部１０１ａ、１０２ａ、および各出口部１０１ｂ、１０２ｂが形成される。

各セル１０は、水素および空気が供給されることで、以下に示すように、水素および酸素といった反応ガスを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。
（アノード電極）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（カソード電極）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
図１に戻り、燃料電池１および各種電気負荷は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ２は、燃料電池１から各種電気負荷、あるいは、各種電気負荷から燃料電池１への電力の流れを制御するものである。

また、各セル１０のうち、診断対象となるセル１０（以下、対象セル１０と称する。）には、燃料電池診断装置４が接続されている。この燃料電池診断装置４は、対象セル１０における空気流れ下流側（酸化剤ガス流れ下流側）の局所部位である空気出口部１０２ｂ（水素入口部１０１ａ）付近への空気の供給状態を診断するものである。空気流れ下流側の局所部位は、空気入口部１０２ａよりも空気出口部１０２ｂに近い部位である。なお、燃料電池診断装置４の詳細については後述する。

燃料電池１には、空気を燃料電池１に供給する空気供給配管２０、および燃料電池１にて電気化学反応を終えた余剰空気やカソード電極１００ｃ側に溜まった生成水を燃料電池１から外気へ排出する空気排出配管２１が接続されている。なお、空気供給配管２０は、燃料電池１の内部に形成された空気供給マニホールド（図示略）を介して各セル１０の空気入口部１０２ａに連通し、空気排出配管２１は、燃料電池１の内部に形成された空気排出マニホールド（図示略）を介して、各セル１０の空気出口部１０２ｂに連通している。

空気供給配管２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２２が設けられ、空気排出配管２１には、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。なお、本実施形態では、空気ポンプ２２および空気調圧弁２３によって、所定の流量および圧力の空気を燃料電池１に供給する空気供給手段が構成される。

また、燃料電池１には、水素を燃料電池１に供給する水素供給配管３０、および燃料電池１にて電気化学反応を終えた微量な水素やアノード電極１００ｂ側に溜まった生成水を燃料電池１から外気へ排出する水素排出配管３１が接続されている。なお、水素供給配管３０は、燃料電池１の内部に形成された水素供給マニホールド（図示略）を介して各セル１０の水素入口部１０１ａに連通し、水素排出配管３１は、燃料電池１の内部に形成された水素排出マニホールド（図示略）を介して、各セル１０の水素出口部１０１ｂに連通している。

水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３２が設けられ、水素供給配管３０における高圧水素タンク３２と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３３が設けられている。なお、本実施形態では、この水素調圧弁３３によって、所望の圧力の水素を燃料電池１に供給する燃料ガス側のガス供給手段が構成される。

水素排出配管３１には、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、アノード電極１００ｂ側において生成水は発生しないものの、アノード電極１００ｂ側には、カソード電極１００ｃ側から電解質膜１００ａを透過した生成水が溜まるおそれがある。このため、本実施形態では、水素排出配管３１および電磁弁３４を設けている。

燃料電池システムには、各種制御を行う発電制御手段としての制御装置５が設けられている。この制御装置５は、各種入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。

本実施形態の制御装置５の入力側には、燃料電池診断装置４、制御装置５に対して燃料電池１の運転開始を指示する車両起動スイッチ（図示略）等が接続されており、燃料電池診断装置４、車両起動スイッチ等からの出力信号が入力される。

一方、制御装置５の出力側には、上述の空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、電磁弁３４といった各種電気式アクチュエータ等が接続されており、これら制御機器が制御装置５からの制御信号により制御される。

次に、本実施形態の燃料電池診断装置４について説明する。図２の要部構成図に示すように、燃料電池診断装置４は、局所電流センサ４１、電圧センサ４２、信号処理装置４３を備えている。

局所電流センサ４１は、対象セル１０における空気の供給状態が不足状態となり易い空気流れ下流側の局所部位（本実施形態では、空気出口部１０２ｂおよび水素入口部１０１ａ付近）に隣接配置されて、空気流れ下流側に対応する局所部位に流れる電流（局所電流）を検出する局所電流検出手段である。なお、局所電流センサ４１は、シャント抵抗やホール素子等を利用した周知の電流センサを用いることができる。

また、電圧センサ４２は、対象セル１０のセル電圧を検出する電圧検出手段である。なお、局所電流センサ４１および電圧センサ４２は、信号処理装置４３に接続されており、各センサ４１、４２からの各出力信号が信号処理装置４３に入力される。

信号処理装置４３は、各種入力信号に基づいて、制御処理や演算処理を実行するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。

信号処理装置４３は、燃料電池１の出力電流に対して交流信号（交流電流）を印加する信号印加部４３１、対象セル１０の局所部位の局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出部４３２、対象セル１０の局所部位における電解質膜１００ａの膜抵抗を算出する膜抵抗算出部４３３、インピーダンス算出部４３２の算出結果を補正して局所インピーダンスに含まれる拡散インピーダンスを算出する補正部４３４、燃料電池１への空気（酸素）の供給状態を診断する診断部４３５が設けられている。

信号印加部４３１は、燃料電池１の出力電流に対して所定周波数の交流信号を印加する交流印加手段を構成している。これにより、燃料電池１の出力電流は、図３の説明図に示すように、直流成分（電流値Ｉ）に対して周波数ｆの交流成分（振幅ΔＩ）が重畳されることとなる。

本実施形態の信号印加部４３１は、燃料電池１の出力電流に対して、予め定めた基準周波数（例えば１００Ｈｚ）よりも小さい低周波数の交流信号、および基準周波数よりも大きい高周波数の交流信号を合成した交流信号を印加可能に構成されている。

具体的には、本実施形態では、０．５ｋＨｚ〜数百ｋＨｚとなる高周波数の信号と、０．１Ｈｚ〜１００Ｈｚとなる低周波数の信号とを合成した交流信号を信号印加部４３１にて印加するようにしている。なお、低周波数の信号としては、周波数を可変させて交流信号を印加した際の局所インピーダンスの変化を複素平面上に示したコールコールプロットにおいて、２つの半円状の軌跡が交差する変極点よりも高いインピーダンスを示す周波数領域に設定することが望ましい。なお、信号印加部４３１にて印加する交流信号は、燃料電池１の発電状態に影響しないように燃料電池１の出力電流の１０％以内とすることが望ましい。

インピーダンス算出部４３２は、信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に前述の交流信号を印加した際に、局所電流センサ４１、および電圧センサ４２の検出値に基づいて、対象セル１０の局所部位における局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段を構成している。

本実施形態のインピーダンス算出部４３２は、高速フーリエ変換処理等によって、高周波数の信号に対応する交流成分と低周波数の信号に対応する交流成分とを個別に抽出し、高周波数の信号に対応する高周波インピーダンスＺ_Ｈ、および低周波数の信号に対応する低周波インピーダンスＺ_Ｌそれぞれを算出可能に構成されている。

膜抵抗算出部４３３は、高周波インピーダンスＺ_Ｈを用いて、対象セル１０の局所部位における電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍを算出する膜抵抗算出手段を構成している。なお、高周波インピーダンスＺ_Ｈは、電解質膜１００ａの膜抵抗に相関性を有することから、高周波インピーダンスＺ_Ｈから膜抵抗を算出することが可能となる。

補正部４３４は、低周波インピーダンスＺ_Ｌから、対象セル１０の膜抵抗、および燃料電池１の負荷変動（要求出力の変化）に応じて変化する対象セル１０の活性化抵抗の影響を除去することで、対象セル１０への空気の供給状態に応じて変化するカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスを算出する補正手段である。なお、補正部４３４におけるカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスの算出方法については後述する。

診断部４３５は、補正部４３４にて算出されたカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスに基づいて、燃料電池１の空気の供給状態が不足状態、および適正状態のいずれの状態であるかを診断する診断手段を構成している。

次に、補正部４３４におけるカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスの算出方法について説明する。まず、本実施形態に係るセル１０の等価回路について図４の等価回路図を用いて説明する。

図４に示すように、本実施形態に係るセル１０の等価回路は、各電極１００ｂ、１００ｃを構成する合成回路に電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍを直列接続した構成としている。本実施形態では、アノード電極１００ｂを、直列接続された活性化抵抗Ｒｃｔ＿ａｎおよび拡散インピーダンスＺａｎに電気二重層容量（コンデンサ成分）Ｃａｎを並列接続した合成回路で構成し、カソード電極１００ｃを、直列接続された活性化抵抗Ｒｃｔ＿ｃａおよび拡散インピーダンスＺｃａに電気二重層容量（コンデンサ成分）Ｃｃａを並列接続した合成回路で構成している。なお、セル内部には、各セパレータ１０１、１０２の抵抗が存在するが、当該抵抗は、セル内部の乾湿状態、燃料電池１の負荷変動、反応ガスの供給状態に影響を受けないため、本実施形態では省略している。

ここで、セル１０への空気の供給状態が不足状態であって、セル１０の水素の供給状態が適正状態である場合には、アノード電極１００ｂの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ａｎ、拡散インピーダンスＺａｎ、および電気二重層容量Ｃａｎが、カソード電極１００ｃの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ｃａ、拡散インピーダンスＺｃａ、および電気二重層容量Ｃｃａに比べて小さくなるため、セル１０を図５に示す等価回路図で表現することができる。

図６は、燃料電池１の負荷を一定、セル１０における乾湿状態が適正状態とし、さらに、水素の供給状態を適正状態とした際に、セル１０への空気の供給状態を変化させた場合の理想的なコールコールプロットを示す図表である。なお、図６は、図５に示すセル１０の等価回路を用いて、高周波数から低周波数までの交流信号を印加した際の局所インピーダンスの変化を複素平面上に示した特性図である。

図６に示すように、セル１０への空気の供給状態が適正状態から不足状態へ変化すると、カソード電極１００ｃ側の酸素濃度の変化に応じて、セル１０の局所インピーダンスが増減する傾向がある。例えば、セル１０への空気の供給状態が不足状態となる際の低周波インピーダンスＺ_Ｌは、セル１０への空気の供給状態が適正状態となる際よりも大きくなる。従って、低周波インピーダンスＺ_Ｌの変化に基づいて、セル１０への空気の供給状態を診断することが考えられる。

しかし、実際のセル１０では、空気の供給状態が適正状態に維持されていたとしても、セル１０における乾湿状態が変化すると、膜抵抗Ｒｐｅｍの変化によってセル１０の局所インピーダンスが増減してしまう。

また、実際のセル１０では、空気の供給状態が適正状態に維持されていたとしても、燃料電池１の負荷変動が生じると、セル１０の局所インピーダンスが増減する傾向がある。これは、燃料電池１の負荷変動による燃料電池１の発電電流の変化によって、カソード電極１００ｃの電位が変化して、カソード電極１００ｃにおける触媒活性の度合い（酸素とプロトンとの反応のし易さ）を示す活性化抵抗Ｒｃｔ＿ｃａが変化してしまうことが要因である。

ここで、図７は、セル１０における乾湿状態が適正状態とし、空気および水素の供給状態を適正状態とした際に、燃料電池１の負荷変動が生じた場合の理想的なコールコールプロットを示す図表である。この図表は、図４に示すセル１０の等価回路を用いて、高周波数から低周波数までの交流信号を印加した際の局所インピーダンスの変化を複素平面上に示した特性図である。

図７に示すように、燃料電池１の負荷が低負荷から高負荷へと変化すると、カソード電極１００ｃの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ｃａ等の減少によって、セル１０の局所インピーダンスが減少する傾向がある。

そこで、本実施形態では、セル１０の乾湿状態の影響を受ける電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍ、および燃料電池１の負荷変動の影響により変化するカソード電極１００ｃの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ｃａを算出し、各算出値を用いて、低周波インピーダンスＺ_Ｌからセル１０の乾湿状態の影響、および燃料電池１の負荷変動の影響を除去するようにしている。

ここで、電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍは、相関性を有する高周波インピーダンスＺ_Ｈから膜抵抗Ｒｐｅｍを算出する。具体的には、高周波インピーダンスＺ_Ｈの実数部Ｒｅ（Ｚ_Ｈ）を膜抵抗Ｒｐｅｍとして算出する。

また、カソード電極１００ｃの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ｃａは、低周波数の交流信号を印加した際のセル電圧の変化量に含まれる活性化過電圧の変化分を、局所電流の変化量で除算して算出する。具体的には、カソード電極１００ｃの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ｃａは、以下の数式Ｆ１、Ｆ２を用いて算出することができる。

Ｒｃｔ＿ｃａ＝ΔＶａ／Δｉ…Ｆ１
ΔＶａ＝Ｂ×ｌｏｇ｛（Ｉ＋ΔＩ）／ΔＩ｝…Ｆ２
但し、ΔＶａが燃料電池１の出力電流に印加された交流信号に応じて変化する触媒電極層（カソード電極１００ｃ）の活性化過電圧の変化分を示し、Δｉが燃料電池１の出力電流に低周波数の交流信号を印加した際の交流成分の振幅（変化量）を示し、Ｉが燃料電池１の出力電流に低周波数の交流信号を印加した際の直流成分の電流値を示し、Ｂが燃料電池１のターフェル勾配を示している。

なお、ターフェル勾配Ｂは、図８に示すように、セル１０の電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍによる電圧降下を補正した燃料電池１の電流−電圧特性をターフェルプロットで表した際に、所定電流値α（例えば、０．１Ａ／ｃｍ^２）以下の領域における電圧変化率を示している。

また、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａについては、図４に示す等価回路を用いて算出する。具体的には、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａは、以下の数式Ｆ３を用いて算出することができる。

Ｚｃａ＝１／［｛１／（Ｚ_Ｌ−Ｒｐｅｍ）｝−ｊ×ω×Ｃｃａ］−Ｒｃａ＿ｃａ…Ｆ３
但し、ｊが虚数単位を示し、ω（＝２πｆ）が印加する交流信号の角周波数を示し、Ｃｃａがカソード電極１００ｃの電気二重層容量（コンデンサ成分）を示している。

ここで、カソード電極１００ｃの電気二重層容量Ｃｃａは、セル１０の局所部位における触媒電極層（カソード電極１００ｃ）の容量成分を用いることができる。なお、カソード電極１００ｃの容量成分は、予めサイクリックボルタメントリ（ＣＶ）測定を用いて定量化した値（触媒電極層における電気二重層容量の値）を用いればよい。

次に、上記構成に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池診断装置４で実行する対象セル１０への空気の供給状態を診断する処理について図９のフローチャートを用いて説明する。なお、図９に示す制御ルーチンは、車両起動スイッチが投入されて、燃料電池１が発電状態となるとスタートする。

燃料電池１が発電状態となると、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して、高周波数の信号と低周波数の信号とを合成した交流信号を印加する（Ｓ１０）。

続いて、局所電流センサ４１および電圧センサ４２からの出力信号を読み込む（Ｓ２０）。そして、局所電流センサ４１、および電圧センサ４２の検出値に基づいて、信号処理装置４３のインピーダンス算出部４３２にて対象セル１０の局所部位における局所インピーダンスを算出する（Ｓ３０）。このステップＳ３０の処理では、高周波インピーダンスＺ_Ｈ、および低周波インピーダンスＺ_Ｌそれぞれを算出する。

信号処理装置４３の膜抵抗算出部４３３にて、高周波インピーダンスＺ_Ｈを用いて、電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍを算出する（Ｓ４０）。本実施形態では、高周波インピーダンスＺ_Ｈの実数部Ｒｅ（Ｚ_Ｈ）を膜抵抗Ｒｐｅｍとして算出する。

続いて、信号処理装置４３の補正部４３４にて、前述の数式Ｆ１、Ｆ２を用いて、カソード電極１００ｃの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ｃａを算出する（Ｓ５０）。

また、信号処理装置４３の補正部４３４にて、低周波インピーダンスＺ_Ｌからカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａを算出する補正を行う（Ｓ６０）。具体的には、ステップＳ４０にて算出した膜抵抗Ｒｐｅｍ、ステップＳ５０で算出した活性化抵抗Ｒｃｔ＿ｃａを前述の数式Ｆ３に代入して、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａを算出する。

続いて、信号処理装置４３の診断部４３５にて、ステップＳ６０の処理で算出したカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａの絶対値Ａｂｓ（Ｚｃａ）が予め定めた判定閾値Ａｂｓ（Ｚｃａ＿ｒｅｆ）より大きいか否かを判定する（Ｓ７０）。この判定閾値Ａｂｓ（Ｚｃａ＿ｒｅｆ）は、空気の供給状態が不足状態となった際のカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスの絶対値Ａｂｓ（Ｚｃａ）を基準に定められている。

ステップＳ７０の判定処理にて、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａの絶対値Ａｂｓ（Ｚｃａ）が判定閾値Ａｂｓ（Ｚｃａ＿ｒｅｆ）以下と判定された場合（Ｓ７０：ＮＯ）には、空気の供給状態が適正状態であると診断し（Ｓ７０）、診断処理を終了する。

一方、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａの絶対値Ａｂｓ（Ｚｃａ）が判定閾値Ａｂｓ（Ｚｃａ＿ｒｅｆ）よりも大きいと判定された場合（Ｓ７０：ＹＥＳ）には、空気の供給状態が不足状態であると診断し（Ｓ９０）、診断処理を終了する。この場合、例えば、空気ポンプ２２の回転数を増大させ、空気の供給量を増大させることで、空気の不足状態を解消することができる。なお、空気の不足状態とは、単に空気の供給量が不足している状態だけでなく、例えば、フラッディング等によって対象セル１０内における発電に寄与する空気量が不足している状態を含む意味である。

以上説明した本実施形態によれば、局所インピーダンスである低周波インピーダンスＺ_Ｌから対象セル１０における乾湿状態の影響、および燃料電池１の負荷変動の影響を除去して、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａを算出し、当該拡散インピーダンスＺｃａに基づいて、燃料電池１の空気の供給状態を診断する構成としているので、燃料電池１の空気の不足状態および適正状態を的確に診断することができる。

本実施形態では、燃料電池１への空気の供給状態を診断する際に、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａに基づいて、燃料電池１の空気の不足状態および適正状態を的確に診断するようにしているが、これに限定されない。

例えば、燃料電池１への空気の供給状態を診断する際に、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａに基づいて、対象セル１０の局所部位に供給される空気の酸素濃度を推定するようにしてもよい。

具体的には、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａと酸素濃度との対応関係を規定した制御マップを信号処理装置４３のＲＯＭ等の記憶部に記憶しておき、ステップＳ６０で算出したカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａに基づいて、制御マップを参照して酸素濃度を推定することができる。なお、酸素濃度は、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａの絶対値の増加に伴って低下する傾向があるため、記憶部に記憶する制御マップは、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａの増大に伴って、酸素濃度が低下するように規定されている。

ここで、燃料電池１に負荷変動が生じている際に、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａに基づいて酸素濃度を推定した推定結果と、低周波インピーダンスＺ_Ｌに基づいて酸素濃度を推定した推定結果とを比較する実験を行ったところ以下の結果が得られた。

図１０（ａ）は、燃料電池１に負荷変動が生じている際の対象セル１０の低周波インピーダンスＺ_Ｌの絶対値と推定酸素濃度との関係を示し、図１０（ｂ）は、燃料電池１に負荷変動が生じている際のカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａの絶対値と推定酸素濃度との関係を示している。

図１０に示すように、対象セル１０の低周波インピーダンスＺ_Ｌに対応する推定酸素濃度は、燃料電池１の負荷変動の影響を受ける傾向があるのに対して、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａに対応する推定酸素濃度は、燃料電池１の負荷変動の影響を殆ど受けない結果となった。

このように、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃａから対象セル１０における酸素濃度を推定する構成とすれば、専用のガス濃度センサを別途用意することなく、酸素濃度を精度よく推定することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、燃料電池診断装置４の信号処理装置４３において、セル１０への水素の供給状態を診断する例について説明する。本実施形態の燃料電池診断装置４は、図１１の要部構成図に示すように、局所電流検出手段を構成する局所電流センサ４１を、対象セル１０における水素の供給状態が不足状態となり易い水素流れ下流側の局所部位（本実施形態では、水素出口部１０１ｂおよび空気入口部１０２ａ付近）に隣接配置し、水素流れ下流側に対応する局所部位に流れる電流（局所電流）を検出するようにしている。

本実施形態のようにセル１０への水素の供給状態を診断する場合、セル１０への空気の供給状態を診断する場合と同様に、低周波インピーダンスＺ_Ｌからセル１０における乾湿状態の影響や、燃料電池１の負荷変動の影響を除去する必要がある。

そこで、本実施形態では、セル１０における乾湿状態の影響により変化する膜抵抗Ｒｐｅｍ、および燃料電池１の負荷変動の影響により変化するアノード電極１００ｂの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ａｎを算出し、各算出値を用いて、低周波インピーダンスＺ_Ｌからセル１０における乾湿状態の影響および燃料電池１の負荷変動の影響を除去するようにしている。

ここで、アノード電極１００ｂの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ａｎは、以下の数式Ｆ４、Ｆ５を用いて算出することができる。

Ｒｃｔ＿ａｎ＝ΔＶａ／Δｉ…Ｆ４
ΔＶａ＝Ｂ×ｌｏｇ｛（Ｉ＋ΔＩ）／ΔＩ｝…Ｆ５
但し、ΔＶａが燃料電池１の出力電流に印加された交流信号に応じて変化する触媒電極層（アノード電極１００ｂ）の活性化過電圧の変化分を示し、Δｉが燃料電池１の出力電流に低周波数の交流信号を印加した際の交流成分の振幅（変化量）を示し、Ｉが燃料電池１の出力電流に低周波数の交流信号を印加した際の直流成分の電流値を示し、Ｂが燃料電池１のターフェル勾配を示している。

ここで、セル１０への水素の供給状態が不足状態であって、セル１０への空気の供給状態が適正状態である場合には、カソード電極１００ｃの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ｃａ、拡散インピーダンスＺｃａ、および電気二重層容量Ｃｃａが、アノード電極１００ｂの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ａｎ、拡散インピーダンスＺａｎ、および電気二重層容量Ｃａｎに比べて小さくなるため、セル１０を図１２に示す等価回路図で表現することができる。

本実施形態では、アノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａｎについて、図１２に示す等価回路を用いて算出する。具体的には、アノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａｎは、以下の数式Ｆ６を用いて算出することができる。

Ｚａｎ＝１／［｛１／（Ｚ_Ｌ−Ｒｐｅｍ）｝−ｊ×ω×Ｃａｎ］−Ｒｃｔ＿ａｎ…Ｆ６
但し、ｊが虚数単位を示し、ω（＝２πｆ）が印加する交流信号の角周波数を示し、Ｃａｎがアノード電極１００ｂの電気二重層容量（コンデンサ成分）を示している。なお、アノード電極１００ｂの電気二重層容量Ｃａｎは、セル１０の局所部位における触媒電極層（アノード電極１００ｂ）の容量成分を用いることができる。

次に、上記構成に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池診断装置４で実行する対象セル１０への水素の供給状態を診断する処理について図１３のフローチャートを用いて説明する。

燃料電池１が発電状態となり、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して、高周波数および低周波数の信号を合成した交流信号を印加し（Ｓ１０）、局所電流センサ４１および電圧センサ４２からの出力信号を読み込む（Ｓ２０）。そして、各センサ４１、４２の検出値に基づいて、信号処理装置４３のインピーダンス算出部４３２にて対象セル１０の局所部位における局所インピーダンスを算出する（Ｓ３０）。信号処理装置４３の膜抵抗算出部４３３にて、高周波インピーダンスＺ_Ｈを用いて、電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍを算出する（Ｓ４０）。

続いて、信号処理装置４３の補正部４３４にて、前述の数式Ｆ４、Ｆ５を用いて、アノード電極１００ｂの活性化抵抗Ｒｃｔ＿ａｎを算出する（Ｓ１００）。

また、信号処理装置４３の補正部４３４にて、低周波インピーダンスＺ_Ｌからアノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａｎを算出する補正を行う（Ｓ１１０）。具体的には、ステップＳ４０にて算出した膜抵抗Ｒｐｅｍ、ステップＳ１００で算出した活性化抵抗Ｒｃｔ＿ａｎを前述の数式Ｆ６に代入して、アノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａｎを算出する。

続いて、信号処理装置４３の診断部４３５にて、ステップＳ１１０の処理で算出したアノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａｎの絶対値Ａｂｓ（Ｚａｎ）が予め定めた判定閾値Ａｂｓ（Ｚａｎ＿ｒｅｆ）より大きいか否かを判定する（Ｓ１２０）。この判定閾値Ａｂｓ（Ｚａｎ＿ｒｅｆ）は、水素の供給状態が不足状態となった際のアノード電極１００ｂの拡散インピーダンスの絶対値Ａｂｓ（Ｚａｎ）を基準に定められている。

ステップＳ１２０の判定処理にて、アノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａｎの絶対値Ａｂｓ（Ｚａｎ）が判定閾値Ａｂｓ（Ｚａｎ＿ｒｅｆ）以下と判定された場合（Ｓ１２０：ＮＯ）には、水素の供給状態が適正状態であると診断し（Ｓ１３０）、診断処理を終了する。

一方、アノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａｎの絶対値Ａｂｓ（Ｚａｎ）が判定閾値Ａｂｓ（Ｚａｎ＿ｒｅｆ）よりも大きいと判定された場合（Ｓ１２０：ＹＥＳ）には、水素の供給状態が不足状態であると診断し（Ｓ１４０）、診断処理を終了する。この場合、例えば、水素調圧弁３３の開度を減少させ、高圧水素タンク３２からの水素の供給量を減少させることで、水素の過剰状態を解消することができる。

以上説明した本実施形態によれば、局所インピーダンスである低周波インピーダンスＺ_Ｌから対象セル１０における乾湿状態の影響、および燃料電池１の負荷変動の影響を除去してアノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａｎを算出し、当該拡散インピーダンスＺａｎに基づいて、燃料電池１の水素の供給状態を診断する構成としているので、燃料電池１の水素の不足状態および適正状態を的確に診断することができる。

なお、アノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａｎと水素濃度との対応関係を規定した制御マップを信号処理装置４３のＲＯＭ等の記憶部に記憶しておき、ステップＳ１１０で算出したアノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａｎに基づいて、制御マップを参照して水素濃度を推定するようにしてもよい。この場合、専用のガス濃度センサを別途用意することなく、水素濃度を精度よく推定することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、図５、図１２に示す等価回路を用いて各電極１００ｂ、１００ｃの拡散インピーダンスを算出する例を説明したが、これに限らず、他の等価回路を用いて各電極１００ｂ、１００ｃの拡散インピーダンスを算出してもよい。

また、各電極１００ｂ、１００ｃの活性化抵抗を数式Ｆ１、Ｆ２、Ｆ４、Ｆ５に限らず他の数式を用いて算出したり、予め活性化抵抗と燃料電池１の出力電流に含まれる直流成分および交流成分との関係を規定した制御マップを用いて活性化抵抗を算出したりしてもよい。

（２）上述の各実施形態では、各電極１００ｂ、１００ｃの拡散インピーダンスの絶対値を用いて、セル１０への反応ガス（水素、空気）の供給状態の診断を行う例について説明したが、これに限定されない。

例えば、拡散インピーダンスの位相差や周波数特性を用いて、セル１０への反応ガスの供給状態の診断を行うようにしてもよい。この場合、各判定閾値を、反応ガスの供給状態が不足状態となった際の拡散インピーダンスの位相差や周波数特性を基準に定めればよい。

また、拡散インピーダンスからガス濃度（酸素濃度、水素濃度）を算出し、算出したガス濃度を用いてセル１０への反応ガス（水素、空気）の供給状態の診断を行うようにしてもよい。この場合、各判定閾値を、反応ガスの供給状態が不足状態となった際のガス濃度を基準に定めればよい。

（３）上述の各実施形態では、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して、高周波数の信号と低周波数の信号とを合成した交流信号を印加する例について説明したが、これに限定されない。例えば、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して、高周波数の信号と低周波数の信号とを異なるタイミングで印加するようにしてもよい。

（４）上述の第１実施形態では、単一の局所電流センサ４１を対象セル１０の空気出口部１０２ｂ付近に隣接配置し、インピーダンス算出部４３２にて空気出口部１０２ｂ付近の局所インピーダンスを算出する例について説明したが、これに限定されない。

例えば、複数の局所電流センサ４１を用い、これらを対象セル１０の複数の局所部位に隣接配置し、インピーダンス算出部４３２にて複数の局所部位の局所インピーダンスを算出するようにしてもよい。この場合、対象セル１０の複数の局所部位における空気の供給状態を診断することが可能となる。

同様に、上述の第２実施形態において、複数の局所電流センサ４１を用い、これらを対象セル１０の複数の局所部位に隣接配置し、インピーダンス算出部４３２にて複数の局所部位の局所インピーダンスを算出するようにしてもよい。この場合、対象セル１０の複数の局所部位における水素の供給状態を診断することが可能となる。

さらに、局所電流センサ４１を対象セル１０の空気出口部１０２ｂ付近および水素出口部１０１ｂ付近それぞれに隣接配置し、インピーダンス算出部４３２にて空気出口部１０２ｂ付近および水素出口部１０１ｂ付近それぞれの局所インピーダンスを算出するようにしてもよい。これによれば、対象セル１０における水素および空気それぞれの供給状態を診断することが可能となる。

（５）上述の各実施形態のように、電圧センサ４２にて対象セル１０の電圧を検出する構成が望ましいが、例えば、電圧センサ４２にて燃料電池１全体の電圧を検出するようにしてもよい。

（６）上述の各実施形態では、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して２つの異なる周波数の交流信号を印加する例を説明したが、これに限らず、例えば、３つ以上の異なる周波数の交流信号を印加するようにしてもよい。

（７）上述の各実施形態では、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して交流信号を印加する例について説明したが、これに限らず、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２にて燃料電池１の出力電流に対して交流信号を印加するようにしてもよい。この場合、燃料電池診断装置４の部品点数の低減を図ることができる。

（８）上述の各実施形態では、本発明の燃料電池診断装置４を燃料電池車両に搭載された燃料電池１の状態を診断する装置に適用する例を説明したが、これに限らず、船舶およびポータブル発電機等の移動体や設置型の燃料電池１の状態を診断する装置に適用してもよい。

（９）上述の各実施形態では、高周波インピーダンスＺ_Ｈの実数部Ｒｅ（Ｚ_Ｈ）を電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍとして算出する例を説明したが、これに限らず、例えば、高周波インピーダンスＺ_Ｈの絶対値Ａｂｓ（Ｚ_Ｈ）を電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍとして算出してもよい。

１ 燃料電池
１０ セル
４１ 局所電流センサ（局所電流検出手段）
４２ 電圧センサ（電圧検出手段）
４３１ 交流信号印加部（交流印加手段）
４３２ インピーダンス算出部（インピーダンス算出手段）
４３３ 膜抵抗算出部（膜抵抗算出手段）
４３４ 補正部（補正手段）
４３５ 診断部（診断手段）

Claims (5)

1. 酸化剤ガスおよび燃料ガスといった反応ガスを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０）が積層された固体高分子型の燃料電池（１）に適用され、前記燃料電池の状態を診断する燃料電池診断装置であって、
   前記燃料電池に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流信号、および前記基準周波数よりも高い高周波数の交流信号を印加する交流印加手段（４３１）と、
   前記複数のセルのうち、診断対象となる対象セル（１０）のセル電圧を検出する電圧検出手段（４２）と、
   前記対象セルにおける所定の局所部位を流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４１）と、
   前記交流印加手段にて前記低周波数の交流信号を印加した際の前記セル電圧、および前記局所電流に基づいて、前記対象セルの前記局所部位の局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（４３２）と、
   前記交流印加手段にて前記高周波数の交流信号を印加した際の前記セル電圧、および前記局所電流に基づいて、前記対象セルの前記局所部位の膜抵抗を算出する膜抵抗算出手段（４３３）と、
   前記局所インピーダンスを補正して前記局所インピーダンスに含まれる拡散インピーダンスを算出する補正手段（４３４）と、
   前記拡散インピーダンスに基づいて前記燃料電池への反応ガスの供給状態を診断する診断手段（４３５）と、を備え、
   前記補正手段は、前記局所インピーダンスから前記膜抵抗、および前記燃料電池の負荷変動に応じて変化する前記対象セルの活性化抵抗の影響を除去することで前記拡散インピーダンスを算出することを特徴とする燃料電池診断装置。
2. 前記補正手段は、前記交流印加手段にて前記低周波数の交流信号を印加した際の前記セル電圧の変化量に含まれる活性化過電圧の変化分を、前記局所電流の変化量で除算して前記活性化抵抗を算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池診断装置。
3. 前記補正手段は、前記燃料電池のターフェル勾配、前記燃料電池から出力される出力電流の直流成分の値、および前記交流信号の交流成分の振幅を用いて前記活性化過電圧の変化分を算出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池診断装置。
4. 前記補正手段は、直列接続された前記活性化抵抗および前記拡散インピーダンスに、前記対象セルの触媒電極層における電気二重層容量を並列接続した合成回路に対して、前記膜抵抗を直列接続して構成される前記セルの等価回路に基づいて、前記拡散インピーダンスを算出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池診断装置。
5. 前記補正手段は、前記電気二重層容量として予め測定した前記対象セルの触媒電極層における電気二重層容量の値を用いることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池診断装置。

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