JP2014132561A - 燃料電池の加湿制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インピーダンスの計測により直流抵抗成分を高精度且つ確実に検出することができ、燃料電池の加湿制御を迅速且つ容易に遂行する事を可能にする。
【解決手段】加湿制御方法は、燃料電池スタック１０の発電中に、インピーダンスを計測することにより、直流抵抗成分を検出する工程と、検出された前記直流抵抗成分とセル電圧とに基づいて、反応抵抗成分を算出する工程と、検出された前記直流抵抗成分及び算出された前記反応抵抗成分に基づいて、前記燃料電池スタック１０の加湿状態を検出する工程と、検出された前記燃料電池スタック１０の加湿状態に応じて、前記燃料電池スタック１０の加湿量を調整する工程と、を有している。
【選択図】図１

Description

本発明はアノード電極及びカソード電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池の加湿制御方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、アノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池が構成されている。燃料電池は、複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、所望の発電を確実に行うために、発電状況を正確に把握することが必要である。例えば、電解質膜は、発電性能を維持するために所望の湿潤状態に加湿しなければならず、この電解質膜が乾燥状態になると、発電性能が低下してしまう。

一方、発電による生成水量が多くて水過剰状態になると、フラッディングが惹起され易い。このため、反応ガスを流通させる通路等が詰まり、発電性能が低下してしまう。また、燃料ガスの供給不足に起因して発電性能の低下が発生する場合がある。

ここで、燃料電池の内部水分量は、前記燃料電池のインピーダンスを測定することにより測定することができる。例えば、印加する正弦波の周波数を変化させながら、多数の点でインピーダンスを計測する交流インピーダンス法が採用されている。

ところが、この種の交流インピーダンス法では、１回の計測に相当の時間が必要であり、燃料電池内部の水分状態（加湿状態）をリアルタイムで検出することが困難であるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池を備え、前記燃料電池の出力信号に周波数を変化させながら正弦波信号を印加した場合の前記燃料電池の複素インピーダンスにより得られる、前記燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分と、前記燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分とから、前記燃料電池内部の水分状態を推定している。

この燃料電池システムは、燃料電池の出力信号に任意の周波数を有する正弦波信号を印加する正弦波印加手段と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段と、前記正弦波印加手段により所定周波数の正弦波信号を印加した場合の、前記電圧検出手段で検出した前記出力電圧及び前記電流検出手段で検出した前記出力電流に基づいて、前記所定周波数における前記燃料電池の複素インピーダンスを算出するインピーダンス演算手段とを備えている。

そして、インピーダンス演算手段により少なくとも１つの周波数における燃料電池の複素インピーダンスを算出し、前記少なくとも１つの周波数における前記燃料電池の複素インピーダンスに基づいて、周波数を変化させながら正弦波信号を印加した場合の前記燃料電池の複素インピーダンスを算出することを特徴としている。

特開２００３−８６２２０号公報

上記の特許文献１では、異なる２つの周波数におけるインピーダンスを用い、高周波（ω＝∞）から低周波（ω＝０）まで周波数を変化させた場合の複素インピーダンスを推定することで、燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分と、燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分とを求めている。

このため、抵抗成分を検出するための制御が煩雑化するという問題がある。しかも、各周波数における複素インピーダンスの軌跡をプロットしたコールコールプロットにおいて、該複素インピーダンスの軌跡が正確な半円形状を形成しない場合がある。その際、上記の特許文献１では、各抵抗成分を正確に求めることができないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、インピーダンスの計測により直流抵抗成分を高精度且つ確実に検出することができ、燃料電池の加湿制御を迅速且つ容易に遂行することが可能な燃料電池の加湿制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、アノード電極及びカソード電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池の加湿制御方法に関するものである。

この加湿制御方法は、燃料電池の発電中に、電極反応面の領域内のインピーダンスを計測することにより、直流抵抗成分を検出する工程と、検出された前記直流抵抗成分とスタック電圧とに基づいて、反応抵抗成分を算出する工程と、検出された前記直流抵抗成分及び算出された前記反応抵抗成分に基づいて、前記燃料電池の加湿状態を検出する工程と、検出された前記燃料電池の加湿状態に応じて、前記燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を調整する工程と、を有している。

また、この加湿制御方法は、反応抵抗成分は、スタック理論電圧からスタック電圧と直流抵抗成分を減算して算出することが好ましい。

さらに、この加湿制御方法は、直流抵抗成分と反応抵抗成分が所定の範囲内であるか否かを判断する工程を有し、前記直流抵抗成分と前記反応抵抗成分が前記所定の範囲を超えると判断された際、燃料電池の加湿制御を行うことが好ましい。

さらにまた、この加湿制御方法は、直流抵抗成分と反応抵抗成分が共に所定の範囲を上回る場合に、燃料電池に供給する反応ガスの加湿量を増加させることが好ましい。

また、この加湿制御方法は、反応抵抗成分が所定の範囲を上回り且つ直流抵抗成分が前記所定の範囲を下回る場合に、燃料電池に供給する反応ガスの加湿量を低下させることが好ましい。

さらに、この加湿制御方法は、インピーダンスを計測する際に、交流周波数を１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの間でのみ掃引して直流抵抗成分の検出を行うことが好ましい。

さらにまた、この加湿制御方法では、燃料電池の運転時間に基づいて、直流抵抗成分の増加量を推定する工程と、検出された前記直流抵抗成分に対して推定された前記増加量を加算した基準値に基づいて加湿制御を行うことが好ましい。

本発明によれば、燃料電池の発電中に、インピーダンスを計測することにより、直流抵抗成分が検出されている。次いで、検出された直流抵抗成分とスタック電圧とに基づいて、反応抵抗成分が算出されるため、交流周波数を高周波から低周波まで広い周波数範囲で掃引する必要がない。従って、インピーダンスの計測処理が、迅速且つ容易に遂行される。

これにより、インピーダンスの計測によって直流抵抗成分を高精度且つ確実に検出することができ、燃料電池の加湿制御を迅速且つ容易に遂行することが可能になる。

本発明の実施形態に係る加湿制御方法が適用される燃料電池スタックの要部説明図である。 前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の等価回路の説明図である。 含水率を変化させた場合のインピーダンスが表示されるコールコールプロットの説明図である。 湿度による実部軸と虚部軸との交点における周波数の説明図である。 端子間電圧の説明図である。 本実施形態に係る加湿制御方法を説明するフローチャートである。 抵抗と電流密度との関係図である。 各制御要素の変動説明図である。 耐久劣化による直流抵抗成分の増加量の説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る加湿制御方法が適用される燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が積層され、例えば、車載用燃料電池スタックとして構成される。少なくとも１つの燃料電池１２は、インピーダンス計測電流（交流）が流れ、インピーダンス計測装置１１によりインピーダンス計測される。

インピーダンス計測は、積層方向において特定の燃料電池１２に行ってもよく、又は、電気的に直列に接続された複数個の前記燃料電池１２において行ってもよい。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８とを備える。燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図２中、鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２０ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２２ａとが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２４ａが設けられるとともに、前記燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２４ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１４は、例えば、フッ素系のイオン交換膜又は炭化水素系のイオン交換膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード電極２８及びアノード電極３０とを備える。

カソード電極２８及びアノード電極３０は、固体高分子電解質膜２６の両面に接合される電極触媒層と、前記電極触媒層に配設されるカーボンペーパ等からなるガス拡散層とを有する。電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子とイオン交換成分を固体高分子電解質膜２６の両面に一様に塗布して形成される。

第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８は、金属セパレータ又はカーボンセパレータで構成される。第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に対向する面には、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとを連通して矢印Ｃ方向に延在する酸化剤ガス流路３２が形成される。第１セパレータ１６の酸化剤ガス流路３２とは反対側の面には、冷却媒体供給連通孔２４ａと冷却媒体排出連通孔２４ｂとを連通して矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路３４が形成される。

第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に対向する面には、燃料ガス供給連通孔２２ａと燃料ガス排出連通孔２２ｂとを連通して矢印Ｃ方向に延在する燃料ガス流路３６が形成される。第２セパレータ１８の燃料ガス流路３６とは反対側の面には、同様に冷却媒体流路３４が形成される。

第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８には、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をシールするために、第１シール部材３８及び第２シール部材４０が、一体的又は個別に設けられる。第１シール部材３８及び第２シール部材４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール材を使用する。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、燃料電池１２の積層方向一端にターミナルプレート４２ａ、絶縁プレート４４ａ及びエンドプレート４６ａが積層される。燃料電池１２の積層方向他端には、ターミナルプレート４２ｂ、絶縁プレート４４ｂ及びエンドプレート４６ｂが積層される。

インピーダンス計測装置１１は、交流電圧測定器５０と交流電流測定器５２と交流発生器５４とを備える。ターミナルプレート４２ａには、電圧用配線５６ａ及び電流用配線５８ａの一端が接続される。電圧用配線５６ａの他端は、交流電圧測定器５０に接続されるとともに、電流用配線５８ａの他端は、交流電流測定器５２に接続される。

ターミナルプレート４２ｂには、電圧用配線５６ｂ及び電流用配線５８ｂの一端が接続される。電圧用配線５６ｂの他端は、交流電圧測定器５０に接続されるとともに、電流用配線５８ｂの他端は、交流電流測定器５２に接続される。

ターミナルプレート４２ａ、４２ｂには、外部配線６０ａ、６０ｂの一端が電気的に接続される。外部配線６０ａ、６０ｂの他端には、外部負荷６２が接続される。外部負荷６２は、燃料電池スタック１０から直流電流を出力させる。この直流電流に交流電流を重畳させてインピーダンスを計測してもよい。外部負荷６２としては、図示しないが、例えば、車両用走行モータや燃料電池１２に空気を供給するコンプレッサ等が使用される。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、本実施形態に係る加湿制御方法との関連で、以下に説明する。

先ず、図３には、燃料電池１２の等価回路が示される。図３中、Ｒｓｏｌは、固体高分子電解質膜２６の抵抗、部材の貫通抵抗及び接触抵抗を含む直流抵抗成分であり、Ｒｃは、活性化過電圧及び濃度過電圧を含む反応抵抗成分である。Ｃｄは、電気二重層容量である。

図３に示す燃料電池等価回路において、高周波側の正弦波電流を印加し周波数を変化させた際、燃料電池１２のインピーダンスを複素平面上に表示したコールコールプロットが、図４に示される。図４では、固体高分子電解質膜２６の含水率を変化させた場合の各インピーダンスが表示されている。具体的には、一定の電流を引きながら供給される酸化剤ガスの湿度を変化させ、相対湿度Ｔ１（Relative Humidity）（以下、ＲＨという）（例えば、５％）、相対湿度Ｔ２（ＲＨ）（例えば、１０％）、相対湿度Ｔ３（ＲＨ）（例えば、５０％）及び相対湿度Ｔ４（ＲＨ）（例えば、９０％）である際（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４）、それぞれ異なるインピーダンス特性を計測し、直流抵抗成分である抵抗Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２及びＲ１が得られている。

抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、印加する正弦波電流の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）のインピーダンスであり、図３中、Ｒｓｏｌに相当する。一方、図示しないが、印加する正弦波電流の周波数が非常に小さい場合（ω＝０）のインピーダンスは、Ｒｓｏｌ＋Ｒｃに相当する。

ここで、抵抗Ｒ１＜抵抗Ｒ２＜抵抗Ｒ３＜抵抗Ｒ４の関係を有している。すなわち、インピーダンスは、固体高分子電解質膜２６の含水率に依存しており、供給される反応ガスが高湿度（高ＲＨ）になる程、小さな抵抗値となるとともに、低湿度（低ＲＨ）になる程、大きな抵抗値となる。

その際、図５に示すように、湿度を変化させると、虚部軸＝０との交点における周波数（交点周波数）が変化する。具体的には、低加湿に移行するのに従って、交点の周波数が高周波側にシフトする。従って、本実施形態では、直流抵抗成分から固体高分子電解質膜２６の含水状態を確実に把握するために、掃引する交流周波数を虚部軸＝０との交点を通過するように１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの間に制限する。虚部軸との交点周波数は、燃料電池スタック１０から出力される電流が大きくなる程、小さくなる傾向がある。

一方、燃料電池スタック１０の端子間電圧が、図６に示されている。所定温度でのスタック理論ＯＣＶ（開回路電圧）であるＶｏｃｖ（一定の値）は、スタック電圧（各セル電圧の合計）Ｖｓｔ、直流抵抗成分Ｒｓｏｌ×Ｉ（電流）及び反応抵抗成分Ｒｃ×Ｉ（電流）の合計である。このため、直流抵抗成分Ｒｓｏｌが検出されると、計算により反応抵抗成分Ｒｃを算出することができる。

また、直流抵抗成分Ｒｓｏｌ及び反応抵抗成分Ｒｃの高低により、固体高分子電解質膜２６の含水状態（加湿状態）が判断される。具体的には、直流抵抗成分Ｒｓｏｌが高く且つ反応抵抗成分Ｒｃが高い状態は、固体高分子電解質膜２６が乾燥（ドライアップ）していると判断される。さらに、直流抵抗成分Ｒｓｏｌが高く且つ反応抵抗成分Ｒｃが低い状態は、固体高分子電解質膜２６が加湿不足であると判断される。さらにまた、直流抵抗成分Ｒｓｏｌが低く且つ反応抵抗成分Ｒｃが高い状態は、固体高分子電解質膜２６が水過剰（フラッディング）状態であると判断される。

次いで、燃料電池スタック１０の動作について説明する。図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２４ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、第１セパレータ１６に設けられている各酸化剤ガス流路３２に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード電極２８に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔２２ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ１８の各燃料ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード電極３０に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。カソード電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに排出される。同様に、アノード電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２２ｂに排出される。

また、冷却媒体供給連通孔２４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１６及び第２セパレータ１８の各冷却媒体流路３４に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２４ｂに排出される。

上記の発電時において、図１に示すように、インピーダンス計測装置１１では、外部負荷６２により燃料電池スタック１０から直流電流を出力させるとともに、インピーダンス計測される燃料電池１２に交流電流を加えている。このため、インピーダンス計測が行われる。

その際、交流発生器５４により交流周波数を１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの間でのみ掃引して、直流抵抗成分Ｒｓｏｌの検出が行われる。そして、図６に示すように、検出された直流抵抗成分Ｒｓｏｌとスタック電圧（セル電圧の合計電圧）Ｖｓｔとに基づいて、反応抵抗成分Ｒｃが算出される。具体的には、Ｒｃ＝（Ｖｏｃｖ−Ｖｓｔ−Ｒｓｏｌ×Ｉ）／Ｉより算出される。なお、Ｖｏｃｖは、各燃料電池（各セル）１２の理論ＯＣＶの合計値である。

次いで、燃料電池スタック１０の加湿状態の判断処理が開始される（図７中、ステップＳ１参照）。燃料電池スタック１０が発電されている間に、燃料電池１２からの出力電圧（複数のセル電圧）のばらつきが、標準偏差内であるか否かが判断される。セル電圧のばらつきが、標準偏差外であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進む。ここで、標準偏差内とは、標準偏差の値が所定の範囲内に収まって燃料電池スタック１０が安定した発電を継続できる状態のセル電圧のばらつきをいう。

燃料電池スタック１０が安定状態で運転されると、セル電圧のばらつきは、標準偏差内に維持される。一方、フラッディング（滞留水による閉塞を含む）や膜乾燥（ドライアップ）が発生した際には、前記セル電圧のばらつきが、標準偏差外になる。

ここで、直流抵抗成分Ｒｓｏｌ及び反応抵抗成分Ｒｃの上限基準値は、図８に示すように、電流密度毎に設定される。そして、図９に示すように、検出された直流抵抗成分Ｒｓｏｌが、上限基準値（Ｒｓｏｌｍａｘ）を超える値であり、且つ算出された反応抵抗成分Ｒｃが、上限基準値（Ｒｃｍａｘ）を超える値であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、固体高分子電解質膜２６がドライアップ状態であることが検出される。

さらに、ステップＳ５に進んで、加湿上昇制御が開始される。この加湿上昇制御は、例えば、燃料電池スタック１０に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器（図示せず）に設けられたバイパス流路を閉塞し、前記加湿器に供給される酸化剤ガス流量を増加させたり、ドレン水等を利用したインジェクター（図示せず）により前記酸化剤ガスや燃料ガスを直接加湿したり等、種々の方式により供給される反応ガスの加湿量を増加させる。

加湿上昇制御が開始されると、最初に反応抵抗成分Ｒｃが小さくなる。これは、触媒層に含まれるイオン交換成分中の水分量が増加することに起因する。この状態は、未だ加湿不足であり、さらに加湿上昇制御が継続されると、固体高分子電解質膜２６の水分量が増加し、直流抵抗成分Ｒｓｏｌが小さくなっていく。

そして、直流抵抗成分Ｒｓｏｌが、上限基準値（Ｒｓｏｌｍａｘ）以下であり、且つ反応抵抗成分Ｒｃが、上限基準値（Ｒｃｍａｘ）以下であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、セル電圧のばらつきが標準偏差内であると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、燃料電池スタック１０が安定状態で運転される。また、ステップＳ６及びステップＳ７において、ＮＯと判断されると、ステップＳ５に戻って加湿上昇制御が継続される。

一方、ステップＳ３において、直流抵抗成分Ｒｓｏｌが、下限基準値（Ｒｓｏｌｍｉｎ）を下回り、且つ、反応抵抗成分Ｒｃが、上限基準値（Ｒｃｍａｘ）を上回る場合に、ＮＯと判断され、ステップＳ９に進んで、フラッディング状態であることが検出される。さらに、ステップＳ１０に進んで、加湿下降制御が開始される。この加湿下降制御は、例えば、加湿器に設けられたバイパス流路を開放し、前記加湿器に供給される酸化剤ガス流量を減少させたり、供給する燃料ガスのストイキ比を上昇させることにより行われる。なお、図示しないが、燃料ガス循環路に設けられたパージ弁を開弁してもよい。

ステップＳ１１に進んで、セル電圧のばらつきが標準偏差内であると判断されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、直流抵抗成分Ｒｓｏｌが、上限基準値（Ｒｓｏｌｍａｘ）以下であり、且つ反応抵抗成分Ｒｃが、上限基準値（Ｒｃｍａｘ）以下であると判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進む。また、ステップＳ１１及びステップＳ１２において、ＮＯと判断されると、ステップＳ１０に戻って加湿下降制御が継続される。なお、ステップＳ１１とステップＳ１２とは、順序を逆にして行ってもよい。

この場合、本実施形態では、燃料電池スタック１０の発電中に、インピーダンスを計測することにより、直流抵抗成分Ｒｓｏｌが検出されている。次いで、検出された直流抵抗成分Ｒｓｏｌとスタック電圧Ｖｓｔとに基づいて、反応抵抗成分Ｒｃが算出される。具体的には、Ｒｃ×Ｉ＝Ｖｏｃｖ−（Ｖｓｔ＋Ｒｓｏｌ×Ｉ）から反応抵抗成分Ｒｃが算出される。

このため、交流周波数を高周波から低周波まで広い周波数範囲で掃引する必要がなく、インピーダンスの計測処理は、迅速且つ容易に遂行される。特に、掃引する交流周波数を１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの間に制限することにより、固体高分子電解質膜２６の含水状態を略全ての湿度範囲内（図５参照）で把握することができるとともに、インピーダンス計測処理が効率的に遂行可能になる。

従って、インピーダンスの計測により直流抵抗成分Ｒｓｏｌを高精度且つ確実に検出することができる。これにより、燃料電池スタック１０の加湿制御を迅速且つ容易に遂行することが可能になるという効果が得られる。

しかも、加湿制御では、先ず、セル電圧のばらつきが、標準偏差内であるか否かが判断されている。そして、セル電圧のばらつきが、標準偏差外であると判断されることにより、燃料電池スタック１０がフラッディング状態又はドライアップ状態であることが検出されている。このため、燃料電池スタック１０の加湿状態の判断が容易に遂行されるとともに、本実施形態に係る加湿制御方法が効率的に遂行される。

なお、固体高分子電解質膜２６は、運用時間及び総発電時間が長くなると耐久劣化し易い。このため、図１０に示すように、耐久劣化後の固体高分子電解質膜２６では、初期の固体高分子電解質膜２６に比べて直流抵抗成分が増加する。従って、燃料電池スタック１０の運転時間に基づいて、直流抵抗成分の増加量を推定したマップを用意し、検出された直流抵抗成分に対して推定された前記増加量を上限基準値と下限基準値に加算して加湿制御が行われる。これにより、加湿制御が高精度に遂行されるという利点がある。

１０…燃料電池スタック １１…インピーダンス計測装置
１２…燃料電池 １４…電解質・電極構造体
１６、１８…セパレータ ２６…固体高分子電解質膜
２８…カソード電極 ３０…アノード電極
３２…酸化剤ガス流路 ３４…冷却媒体流路
３６…燃料ガス流路 ５０…交流電圧測定器
５２…交流電流測定器 ５４…交流発生器
６２…外部負荷

Claims (7)

1. アノード電極及びカソード電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池の加湿制御方法であって、
   前記燃料電池の発電中に、電極反応面の領域内のインピーダンスを計測することにより、直流抵抗成分を検出する工程と、
   検出された前記直流抵抗成分とスタック電圧とに基づいて、反応抵抗成分を算出する工程と、
   検出された前記直流抵抗成分及び算出された前記反応抵抗成分に基づいて、前記燃料電池の加湿状態を検出する工程と、
   検出された前記燃料電池の加湿状態に応じて、前記燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を調整する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の加湿制御方法。
2. 請求項１記載の加湿制御方法において、前記反応抵抗成分は、スタック理論電圧から前記スタック電圧と前記直流抵抗成分を減算して算出することを特徴とする燃料電池の加湿制御方法。
3. 請求項１又は２記載の加湿制御方法において、前記直流抵抗成分と前記反応抵抗成分が所定の範囲内であるか否かを判断する工程を有し、
   前記直流抵抗成分と前記反応抵抗成分が前記所定の範囲を超えると判断された際、前記燃料電池の加湿制御を行うことを特徴とする燃料電池の加湿制御方法。
4. 請求項３記載の加湿制御方法において、前記直流抵抗成分と前記反応抵抗成分が共に前記所定の範囲を上回る場合に、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの加湿量を増加させることを特徴とする燃料電池の加湿制御方法。
5. 請求項３記載の加湿制御方法において、前記反応抵抗成分が前記所定の範囲を上回り且つ前記直流抵抗成分が前記所定の範囲を下回る場合に、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの加湿量を低下させることを特徴とする燃料電池の加湿制御方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の加湿制御方法において、前記インピーダンスを計測する際に、交流周波数を１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの間でのみ掃引して前記直流抵抗成分の検出を行うことを特徴とする燃料電池の加湿制御方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の加湿制御方法において、前記燃料電池の運転時間に基づいて、前記直流抵抗成分の増加量を推定する工程と、
   検出された前記直流抵抗成分に対して推定された前記増加量を加算した基準値に基づいて加湿制御を行うことを特徴とする燃料電池の加湿制御方法。

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