JP2017201627A - セル（燃料電池）のグループを用いた燃料電池スタック状態監視 - Google Patents

セル（燃料電池）のグループを用いた燃料電池スタック状態監視 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池スタックの部分的な故障や不具合を監視、特定する方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１は、複数のセルグループ５と、制御装置３０とを備える。各セルグループ５は、複数の燃料電池１５と１つのグループセンサ７を備える。グループセンサ７は、各セルグループ５の電気的特性を測定する。制御装置３０は、プロセッサ１６１と、メモリ１６２とを備え、各グループセンサ７に通信可能に結合される。プロセッサ１６１は、各セルグループ５の測定された電気的特性とメモリ１６２に記憶される閾値とを比較する。比較結果が部分的故障あるいは不具合を示す場合は、燃料電池スタック１は、診断の必要性がある。【選択図】図２

Description

本明細書は、一般的に、燃料電池スタックの部分的なイベント（non-systemic events）を監視及び特定する方法及び装置に関し、より詳細には、燃料電池スタック内の燃料電池（セル）をグループ化し、各グループ内の個々の燃料電池に発生した部分的なイベントを監視及び特定する方法及び装置に関する。
燃料電池は、化学反応を介して燃料を使用可能な電気に変換する。このようなエネルギ生成手段の重要な利点は、中間工程として燃焼を経ずにエネルギが生成されるということである。そのように、燃料電池は、推進力及び関連する動力用の内燃機関（ＩＣＥ）及び関連する電力生成源に比べて幾つもの点で環境上有利である。典型的な燃料電池、例えば、プロトン交換膜又は固体高分子電解質膜（何れもＰＥＭ）燃料電池では、一対の触媒電極が、イオン透過電解質層（例えばナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）、登録商標）によって分離されており、これらの三層が全体として、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と一般に称される組立体を形成する。アノード及びカソードに使用（load）される典型的な触媒は、支持面領域（例えば多孔質カーボン系マット）１平方センチメートル当たり約０．０５〜０．４ｍｇの白金（Ｐｔ）である。還元剤としての気体の第１反応物質（例えば水素、Ｈ2）がアノードに導入されてイオン化し、イオン透過媒体を通過して、他の電極（カソード）を通じて導入される酸化剤としての気体の第２反応物質（例えば酸素、Ｏ2）と化合すると電気化学反応が起こる。この反応物質の化合により、副生成物の水が生成される。第１反応物質のイオン化で放出された電子は、有効な仕事を行うことが可能な負荷（例えば電動モータ、各種ポンプ、弁、コンプレッサ、又は他の流体移送要素）を通常含む外部回路を通じて、直流電流（ＤＣ）としてカソードに流れる。この直流電流によって生成される電力は、このような燃料電池（セル）を多数組み合わせてより大きな電力発生アセンブリとすることにより増大させることが可能である。そのような構造の一つとして、一組のトランプカードのように、複数の燃料電池が共通の積層方向に沿って接続され、燃料電池スタックを形成する。セルのそのような正確な積層構造がすぐには明確でない場合でも、本明細書の範囲内において、全体の出力電圧又は出力電流を増大させるために多数の個々のセルを如何様に配置することもスタックを規定する、と考えられることが当業者によって理解されよう。
拡散層（ＤＭ）又は流路内のフラッディング又は氷による閉塞、さらにはＭＥＡ内又はＭＥＡを横切って通過するＨ2の偏在等の要素により、燃料電池スタック内の幾つかのセルは、アノードに対するＨ2の供給減少となる可能性がある。これは、起動時又は通常動作時に起こる可能性があり、極端な例では、その供給が完全に遮断されてしまう。アノード（Ｈ2の供給が完全に遮断された場所）の全体的なＨ2欠乏（スタべーション）は、セル転極（燃料電池の転極）として知られる現象を引き起こし、アノードをカソードよりずっと高い電位まで分極化（polarized）する。アノードのある小さな部分がＨ2供給から遮断された場合、そのＨ2欠乏となるアノードの部分に対応するカソードの部分は、ある主要な燃料電池要素、例えば触媒担持層を構成する炭素の、酸化閾値（oxidation threshold）よりずっと高い電位となる。これは、影響が及ぶセルの炭素腐食、関連する性能低下、又は電気的短絡につながる。
アノードでの欠乏の影響及びその後のセル転極を改善する試みは不十分であった。そのような試みの１つとして、セル電圧の変化を監視するセル電圧監視法（cell voltage monitoring、ＣＶＭ）が用いられている。この監視方法は、残念ながら、スタック内で既に進行した水素欠乏イベントの証拠を提供するにすぎない。さらに、ＣＶＭをスタック内の全てのセルで行うことはコストが高い。なぜなら各セルでの部分的なイベントの監視及び特定に必要となるセンサ、接続するワイヤ、及び制御装置との結線の数が膨大となるからである。さらに他の試みとして、競合する炭素腐食反応を抑制する方法として好ましい酸素発生反応を促進する触媒を用いる方法がある。燃料電池システムの起動時、シャットダウン時、システムの過渡的な稼働状態、又は流体閉塞状態にしばしば伴って起こる全体的又は局所的Ｈ2欠乏の状況下において、黒鉛化支持体方法だけでは、炭素腐食率を十分に減少させない。
従って、燃料電池スタックの部分的なイベントを監視及び特定するための他の方法及びシステムの必要性がある。
ある実施形態において、燃料電池スタックは、複数のセルグループと、制御装置とを備え、各セルグループは、複数の燃料電池と１つのグループセンサを備え、前記グループセンサは、前記各セルグループの単数又は複数の電気的特性を測定する。前記制御装置は、単数又は複数のプロセッサと、メモリとを備え、前記制御装置は、各グループセンサに通信可能に結合される。前記単数又は複数のプロセッサは、機械が読み取り可能な命令を実行して、各セルグループの測定された電気的特性とメモリに記憶される単数又は複数の閾値とを比較し、前記比較が部分的イベントを示す場合、前記燃料電池スタックの診断の必要性を示すことを特徴とする。
他の実施形態において、燃料電池推進システムは、制御装置と、燃料電池スタックと、単数又は複数の弁と、単数又は複数の燃料貯蔵容器とを備える。前記単数又は複数の弁が、前記単数又は複数の燃料貯蔵容器を前記燃料電池スタックへ流体結合し、各燃料貯蔵容器は反応物質又は空気の何れかを貯蔵する。前記燃料電池スタックは、複数のセルグループを備え、各セルグループは、複数の燃料電池と１つのグループセンサを備える。前記グループセンサは、前記各セルグループの単数又は複数の電気的特性を測定する。前記制御装置は、単数又は複数のプロセッサと、メモリとを備え、前記制御装置は、各グループセンサに通信可能に結合される。前記単数又は複数のプロセッサは、機械が読み取り可能な命令を実行して、測定された電気的特性とメモリに記憶される単数又は複数の閾値とを比較し、前記比較が部分的イベントを示す場合、前記単数又は複数の弁を付勢して前記燃料貯蔵容器から前記燃料電池スタックへの反応物質又は空気の流れを調整することを特徴とする。
本明細書に記載されるこれら及び追加の特徴は、図面と共に以下の詳細な説明を考慮することにより十分に理解されるであろう。
図面で示される実施の形態は、例示でありクレームで規定される主題の限定を意図しない。以下の図面と併せて参照することにより、例示的な実施の形態に関する以下の詳細な説明が理解されるであろう。同様な構造は、同様の参照符号によって示される。
図１は、本明細書及び図面で示され説明される単数又は複数の実施の形態による、燃料電池推進システム（propulsion system）を備える車両を示す図である。 図２は、本明細書及び図面で示され説明される単数又は複数の実施の形態による、燃料電池スタックの制御装置を表す図である。 図３は、本明細書及び図面で示され説明される単数又は複数の実施の形態による、セルグループ内の燃料電池の数毎に、セルグループのインピーダンス（Ωｃｍ2）をグラフにより表す図である。 図４は、本明細書及び図面で示され説明される単数又は複数の実施の形態による、診断フローチャートを表す図である。 図５Ａは、本明細書及び図面で示され説明される単数又は複数の実施の形態による、電解質膜・電極構造体の平面図である。図５Ｂは、本明細書及び図面で示され説明される単数又は複数の実施の形態による、セルグループの側面断面図である。 図６は、本明細書及び図面で示され説明される単数又は複数の実施の形態による、反応ガス欠乏転極モードにおける燃料電池の転極をグラフにより表す図である。 図７は、本明細書及び図面で示され説明される単数又は複数の実施の形態による、反応ガス欠乏転極モードによる燃料電池の転極に関する他のデータセットをグラフにより表す図である。 図８は、本明細書及び図面で示され説明される単数又は複数の実施の形態による、異なるグループ周波数での、セル転極を起こした燃料電池のインピーダンス比をグラフにより表す図である。 図９は、本明細書及び図面で示され説明される単数又は複数の実施の形態による、部分的なイベントが原因のＭＥＡドライアウトを起こした燃料電池スタックにおけるインピーダンス及び電圧をグラフにより表す図である。 図１０は、本明細書及び図面で示され説明される単数又は複数の実施の形態による、本明細書及び図面で示され説明される実施の形態による、部分的なイベント中のインピーダンスの変化率をグラフにより表す図である。
燃料電池スタックの部分的な故障は、機能遂行に重大な影響を及ぼす可能性があり、又は、燃料電池スタック内のほんの少数の燃料電池に短絡を生じさせる可能性がある。これらの部分的な故障（failures）、障害（不具合、faults）、又はイベントは、燃料電池スタック全体の状態監視システムでは検出できない可能性がある。なぜなら、影響が及ぶ燃料電池の電気的特性の大きさが、燃料電池スタック全体の状態監視システムで特定可能又は測定可能なほど大きく変化しない可能性があるからである。例えば、配管中のデブリによる単独の燃料電池の閉塞した配管がもたらすセル転極等の部分的なイベントが起きた燃料電池は、その燃料電池内で短絡を引き起こす可能性がある。その部分的なイベントは、さらなる被害を防ぐために、すなわちその部分的な障害が燃料電池スタック全体のシステム障害に拡大することを防ぐために、燃料電池スタックの動作中に検出して修復する必要がある。燃料電池スタックの電気的特性を測定するセンサによる燃料電池スタック全体の監視は、その単独の燃料電池内の変化が小さいので、部分的なイベントを特定できない可能性がある。電気的ノイズ及び他の要因がそのような小さな測定値をマスクする可能性がある。さらに、これら小さな測定値を特定するために個別の燃料電池を個々に監視することは、煩雑で、実施することが複雑であり、経費がかかると共に、状態監視システムの誤差又は故障の機会を増加させる。部分的なイベントは、単独又は複数の燃料電池の機能遂行に影響を及ぼす障害であるが、実質的に燃料電池スタック全体の機能遂行には実質的に影響を及ぼさないものであると理解される。部分的なイベントが修復されなければ、燃料電池スタック全体の故障となる可能性がある。セル転極は、個々の燃料電池が、電気を発生させる代わりに消費する状態であるとも理解される。この状態が、燃料電池の出力の電圧降下として現れ、又は、燃料電池のインピーダンスの変化として現れることが予測される。
まず図１を参照すると、車両１０（以下に限定されないが、例えば、自動車、バン（van）、バス、トラック、オートバイ、戦車、宇宙船、船、ボート、又は潜水艦等）は、燃料電池を備える推進システム２０を含み、当該推進システム２０は、電気モータ１７と燃料電池スタック１とを備える。電気モータ１７は、燃料電池スタック１及び／又は単数若しくは複数の蓄電装置２７からの電力を受け取り、車両１０に動力を供給する。燃料電池スタック１は、多数の個々の燃料電池１５を備える。燃料電池推進システム２０は、単数又は複数の燃料貯蔵容器２２、２３と、動力コンバータ又は関係する電子機器２５と、蓄電装置２７（例えば、バッテリ、ウルトラキャパシタ等）、動作管理を行う単数又は複数の制御装置３０と、任意の個数の弁、コンプレッサ、配管、温度調節器、及び他の付属機器とを含んでもよい。燃料電池推進システム及び関連機器の構造、その相互関係は、２０１５年７月２１日に出願され譲渡された米国特許出願第１４／８０４，７０６号（代理人管理番号 Ｐ０２８９１６−ＰＴＵＳ−ＣＨＥ）にさらに開示され、参照することによりここにその開示内容全体が組み込まれる。
異なる形式の、如何なる個数の燃料電池１５も、推進システム２０の燃料電池スタック１を構成するために用いられてもよい。これらの燃料電池１５は、メタルハイドライド、アルカリ、ガルバーニ（electrogalvanic）又は他の形式でもよい。燃料電池スタック１内の燃料電池１５は、車両１０の必要性に応じて、高電圧又は高電流収率（current yield）を得るため直列、並列、又はその組み合わせで結合されてもよい。
図２は、燃料電池スタック１の制御装置３０を図示する。制御装置３０は、通信可能なように、燃料電池スタック１の様々な装置及びセンサに結合される。制御装置３０は、非一時的メモリ１６２に通信可能に結合される単数又は複数のプロセッサ１６１（以下に限定されないが、例えば、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ等）と、単数又は複数のインターフェース、例えば、第１インターフェース１６３と、第２インターフェース１６４と、を含む。メモリ１６２は、プロセッサ１６１で実行される際に、本明細書及び図面で開示される１つ又は複数の機能を遂行する機械が実行可能な命令を記憶可能な如何なる形式のメモリでもよい。以下に限定されないが、例えば、メモリ１６２は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードドライブ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、他の非一時的メモリ装置、又は、異なるメモリ装置の如何なる組み合わせでもよい。ある実施の形態において、制御装置３０は、プロセッサ１６１、入力部、出力部、及びメモリ１６２を有するデータ処理システム又はコンピュータシステムとして機能してもよい。メモリ１６２は、総称的にコード１７１と称されるコード、プログラム、モデル、又は関係するアルゴリズム、を一時的又は半永久的に記憶するように用いられてもよく、コード１７１に含まれる命令が、そのコードによって出力データが生成されるように、入力データに基づいてプロセッサ１６１によって操作される。当該出力データは、出力部を介して、他のプログラム、ユーザ、又は構成要素（例えば、燃料電池スタック１の構成要素又はセンサ等）に転送される。データバス又は関連する導線のセットと関係する回路構成は、適切なデータ通信経路を形成する。データ通信経路は、制御装置３０の様々な構成要素及び周辺機器を、システム全体が統合されて動作可能なように相互接続する。以下に限定されないが、そのような例としては、第１インターフェース１６３、第２インターフェース１６４、接続１６６、１６８、１７０等を含み、以下本明細書及び図面で詳細に説明される。
制御装置３０は、燃料電池スタック１の様々な装置と通信し、ある場合には、そのような装置を制御する。再び図２を参照すると、以下に限定されないが、例として示される装置は、単数又は複数のポンプ１４３、単数又は複数のコンプレッサ、単数又は複数の弁１４５、及び単数又は複数のセンサを含む。制御装置３０は、システムの動作を監視するため、直接的又は間接的に、燃料電池スタック１からのセンサ測定値を受信する。例えば、制御装置３０は、温度測定値、圧力測定値、流量計の測定値、密度測定値、弁位置測定値、速度測定値、インピーダンス測定値、電圧測定値、電流測定値、燃料電池スタック１の検出された電気的特性、又は燃料電池スタック１に関連するセンサ又は装置１６５からの他の測定値を受信してもよい。本開示内容の原則又は教示から逸脱することなく、センサ及びセンサ構成の如何なる個数の異なる組み合わせを用いてもよいことが了解されるべきである。
単数又は複数の接続１６６は、制御装置３０と、単数又は複数のポンプ１４３、単数又は複数の弁１４５、及び他の装置１６５とをそれぞれ接続する有線接続又は無線接続の如何なる組み合わせでもよい。ある実施の形態では、単数又は複数の接続１６６は、測定値データを制御装置３０へ転送し、制御コマンドを燃料電池スタック１の装置へ転送する共有されたデータ線の一部でもよい。他の実施の形態では、単数又は複数の接続１６６は、単数又は複数の中間回路（intermediary circuits、（例えば、他のマイクロコントローラ、信号フィルタ等））を含み、制御装置３０と、単数又は複数のポンプ１４３、単数又は複数の弁１４５、及び他の装置１６５とを間接的に接続してもよい。接続１６６が無線で行われる場合、制御装置３０及び装置（例えば、単数又は複数のポンプ１４３、単数又は複数の弁１４５、及び他の装置１６５）は、データを送受信するトランシーバを含む。無線通信は、例えば、ＷｉＦｉ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等のＩＥＥＥ８０２シリーズの規格のような公知のプロトコルを使用してもよい。
第２インターフェース１６４は、測定データを受信し、燃料電池推進システム２０の単数又は複数のポンプ１４３、単数又は複数の弁１４５、及び他の装置１６５を付勢させる制御コマンドを送信するために構成されてもよい。第２インターフェース１６４は、受信した測定データをデジタル的にサンプリングするかフィルタリングするための回路構成を含んでもよい。例えば、第２インターフェース１６４は、接続１６６を介してポンプ１４３の温度センサから受信したデータを離散時間（例えば、ｋ、ｋ＋１、ｋ＋２等）でサンプリングし、離散的な温度データ（例えば、Ｔ（ｋ）、Ｔ（ｋ＋１）、Ｔ（ｋ＋２）等）を生成してもよい。例えば、制御装置３０は、燃料電池推進システム２０の単数又は複数のポンプ１４３、単数又は複数の弁１４５、及び他の装置１６５を付勢して、燃料電池スタック１への反応ガス又は空気の流れを調整してもよい。
ある実施の形態において、制御装置３０は、接続１６８を介して、インターフェース装置１６７（以下に限定されないが、例えば、ディスプレイ、スピーカ、プリンタ、又は、ユーザへデータを提供するか、及び／又はユーザからデータを受信する他の如何なる電子装置）と通信してもよい。制御装置３０は、接続１７０を介して、他の演算システム１６９（以下に限定されないが、例えば、他の制御装置、携帯型電子装置、サーバ等）とさらに通信してもよい。接続１６８、１７０は、有線接続及び／又は無線接続してもよい。例えば、他の演算システム１６９は、図１の車両１０から離れて位置するサーバを含み、接続１７０が無線接続でなされてもよい。以下に限定されないが、例えば、制御装置３０は、セルラ通信、ＷｉＦｉ、無線、衛星回線等を経由して、状態条件情報を他の演算システム１６９のサーバへ伝送してもよい。第１インターフェース１６３は、車両１０の位置情報を送受信する単数又は複数のトランシーバを含んでもよい。以下に限定されないが、例えば、第１インターフェース１６３は、車両１０の位置を判定するために三角法測定（triangulation）を利用するＧＰＳ受信機又はセルラ通信の受信機を含んでもよい。制御装置３０は、与えられる適用例の要件に応じて、２つのインターフェースだけに限られず、それより多いか少ないインターフェースを有してもよいことを理解すべきである。例えば、ある実施の形態において、第１インターフェース１６３及び第２インターフェース１６４は、制御装置３０に対して単独のインターフェースであってもよい。
制御装置３０は、図２において単独の装置として示されているが、これは単に例示的なものであり、これに限定することを意図するものではないことを理解すべきである。例えば、プロセッサ１６１は、メモリ１６２に記憶される命令を実行する如何なる数の演算装置の、如何なる数のプロセッサをも含んでもよい。同様に、メモリ１６２は、如何なる数のメモリ装置を含んでもよく、プロセッサ１６１と同じハウジング内に位置するメモリ装置に限定されない。ある場合には、プロセッサ１６１及び／又はメモリ１６２は、車両１０の外部に位置してもよい。制御装置３０は、燃料電池推進システム２０内の多数の制御装置の１つであってもよいことを理解すべきである。
再び図２を参照して、燃料電池スタック１は、単数又は複数のセルグループ５を備える。各セルグループ５は、複数の燃料電池１５と、１つのグループセンサ７とを備える。グループセンサ７は、結合される各セルグループ５の電気的特性を検出するように構成される。制御装置３０は、各グループセンサ７に、通信可能に結合される。以下に詳細に説明される通り、制御装置３０及び各グループセンサ７は、共働して各セルグループ５内の部分的なイベント又は障害（例えば、セル転極）を検出する。ある実施の形態では、グループセンサ７は、各セルグループ５の電気的特性（例えば、電圧、電流、インピーダンス、周波数等）を検出するように用いられてもよい。ある実施の形態では、各グループセンサ７は、グループセンサ７及びセルグループ５内の複数の燃料電池１５が互いに電気的に並列となるように、各セルグループ５に接続される高抵抗器であってもよい。ある実施の形態では、制御装置３０は、各グループセンサ７からの電圧信号を受信し、それらの電圧信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムで処理し、以下の少なくとも１つを検出してもよい。すなわち、直流（ＤＣ）グループ電圧、交流（ＡＣ）グループ電圧、及び調波グループ電圧の少なくとも１つを検出してもよい。ある実施の形態では、グループセンサ７及び制御装置３０の共働により、検出電圧からセルグループ５のインピーダンスを導出してもよい。グループセンサ７は、複数の個々のセンサを備えてもよいことが予測される。例えば、ある実施の形態において、各グループセンサ７は、インピーダンスセンサ、ＤＣ電圧センサ、ＡＣ電圧センサ、調波センサ等の少なくとも１つの組み合わせを備えてもよい。公知の技術として、グループセンサ７が配設されるセルグループ５の電気的特性を測定してそれを特定可能なように、グループセンサ７をセルグループ５に電気的に結合することを理解すべきである。
交流グループ電圧及び調波グループ電圧は、交流発生器１６０で生成されるスタック周波数に関連付けてもよい。本実施の形態では、交流発生器１６０は、燃料電池スタック１へスタック周波数で交流電流を供給してもよい。ある実施の形態では、交流発生器１６０は、各セルグループ５へグループ周波数で交流電流を供給してもよい。ある実施の形態では、交流発生器１６０は、各セルグループに異なるグループ周波数を生成し、各セルグループ５が付与される周波数で特定可能なようにしてもよい。図２には示されないが、各セルグループ５に対し、各グループセンサ７に並列に各交流発生器１６０を接続してもよい。この実施の形態は、燃料電池スタック１が異なる使用期間（経年）の複数のセルグループ５を備える場合に、制御装置３０によって各セルグループ５を互いに差別化することに役立つか、又は、経年変化したセルグループ５でのセル転極を特定することに役立つ。グループ周波数とセルグループ５の使用期間（経年）との関係に関し、下記の図１０の議論を参照のこと。全ての実施の形態において、交流発生器１６０で生成される単数又は複数の交流電流の振幅及び周波数は、制御装置３０によって判定される。換言すれば、制御装置３０は、交流発生器１６０に通信可能に結合され、交流発生器１６０に動作命令を与え、単数又は複数の周波数を有する単数又は複数の交流電流を生成する。この開示内容は、１つの交流発生器１６０に限定されず、複数の交流発生器が用いられてもよいことを理解すべきである。ある実施の形態では、各セルグループ５が１つの交流生成器を備えてもよいことが予測される。
グループ周波数及び／又はスタック周波数は、グループセンサ７によって用いられ、セルグループ５の電気的特性となる高周波抵抗（ＨＦＲ）を測定してもよい。各々のグループ周波数は、各セルグループ５で異なる可能性があるが、同一のグループ周波数を各セルグループ５に付与し、及び／又はスタック周波数を変化させ、グループセンサ７によって測定されるＨＦＲ値を強調してもよい。セルグループ５のＨＦＲ値及びインピーダンスが同じ測定値（same measurement）であることを理解すべきである。
以後に示される実験データに基づき、部分的障害は、セルグループ５の測定されたインピーダンスで約０．５Ωｃｍ2から約１０Ωｃｍ2、又は約１．８Ωｃｍ2から約７．２Ωｃｍ2の増加となる可能性があることが予測される。本明細書及び図面で議論される計算の推定値は、約２Ωｃｍ2であるが、部分的障害の計算及び判定において、上記の所定範囲内で如何なるインピーダンスも用いられてもよいことを理解すべきである。以下に限定されないが、例えば、この計算の推定値は、各セルグループ５の燃料電池１５が経年変化した場合に変える必要があろうということが予測される。経年変化は、図１０に関連して詳細に議論される。
図３は、セルグループ５内の燃料電池１５（図２）の数毎に、セルグループ５（図２）のインピーダンス（Ωｃｍ2）をグラフにより表す図である。１つの燃料電池１５がセル転極を起こすと、そのインピーダンスは約２Ωｃｍ2まで上昇することが予測される。下記に限定されないが、例えば、セルグループ５内に３００個のセル（燃料電池）がある場合、燃料電池１５毎のインピーダンスの上昇は、約０．０５Ωｃｍ2（５０ｍΩｃｍ2）から約０．０５７Ωｃｍ2（５７ｍΩｃｍ2）となる。３００個の燃料電池１５が燃料電池スタック１（図４）内の燃料電池１５の総数であれば、インピーダンスの上昇は、約０．０５Ωｃｍ2＋（２Ωｃｍ2−０．０５Ωｃｍ2）／３００となり、燃料電池１５毎に約０．０５７Ωｃｍ2となる。これらの結果は、燃料電池スタック１の全体のインピーダンスで０．０１Ωｃｍ2（１０ｍΩｃｍ2）未満の上昇となることを示し、スタックに関係するノイズ要素及び他の誤差、又は信号内の有益な情報に対する不要な外乱が存在する際に、その上昇を識別することは困難であろう。換言すれば、燃料電池スタック１全体に１つのセンサを用いて、１つの燃料電池１５が部分的なイベントを起こしたことを測定及び特定することは、燃料電池スタック１のインピーダンスの上昇の総計が約０．０１Ωｃｍ2未満である場合、困難であろう。本明細書及び図面で議論される数値が、燃料電池スタック１の燃料電池１５の数に応じて変化する可能性があることが予測される。
ある実施の形態において、セルグループ５が約３０〜約５０のセル（燃料電池１５）を備えて、インピーダンスの上昇を、スタックに関係する動作ノイズ及び他の要素から識別するように十分大きくしてもよい。この実施の形態では、インピーダンスは、（２Ωｃｍ2−０．０５Ωｃｍ2）／５０で計算されて、セルグループ５の燃料電池１５毎に約０．０４Ωｃｍ2（４０ｍΩｃｍ2）の上昇となる。このインピーダンスは、約０．０５Ωｃｍ2（５０ｍΩｃｍ2）から約０．０９Ωｃｍ2（９０ｍΩｃｍ2）へ上昇することになり、通常の動作インピーダンス値である０．０５Ωｃｍ2の値の略２倍となる。０．０９Ωｃｍ2は、０．０５Ωｃｍ2 ＋０．０４Ωｃｍ2から導かれる。分析を通じ、約３０〜約５０の（燃料電池を有する）セルグループ５のサイズで測定される燃料電池スタック１のインピーダンスは、スタックに関係するノイズ要素及び他の誤差、又は信号内の有益な情報に対する不要な外乱を超えて識別可能なインピーダンス測定値をもたらすことが判定される。下記に限定されないが、例えば、５０個の燃料電池１５によるセルグループ５のサイズでは、燃料電池１５が３００個の燃料電池スタック１に対して６個のセルグループ５が必要となる。この構成は、追加のグループセンサ７を５個だけ加えることになり、上述したように、燃料電池スタック１全体に１つのセンサを用いると部分的なイベントを特定することができないので各個別の燃料電池１５にセンサを揃えた場合の数より極めて少ない。
図２に戻って参照すると、制御装置３０は、セルグループ５の電気的特性が部分的障害を示している場合に、燃料電池スタック１の診断の必要性を示してもよい。ある実施の形態では、制御装置３０は、車両のダッシュボード等のユーザインターフェース（図示せず）上での光の点灯及び／又はアラームを鳴らすことにより、燃料電池スタック１の診断の必要性を示してもよい。ある実施の形態では、制御装置３０が、後に技術者又は保守要員がアクセスするメモリ内のビットを変更させることにより燃料電池スタック１の診断の必要性を示してもよい。ある実施の形態では、制御装置３０が、補修作業を行い以下の何れか１つを実行することにより燃料電池スタック１の診断の必要性を示してもよい。すなわち、燃料電池スタック１の電気的負荷又は電力出力を減少させること、燃料電池スタック１をシャットダウンすること、シャットダウン前に所定の時間だけ燃料電池スタックを動作可能にすること（例えば、緊急回避（リンプホーム）モード）、及び燃料電池スタック１への反応ガス又は空気の流れを増加させること、の何れか１つを実行することにより燃料電池スタック１の診断の必要性を示してもよい。ある実施の形態では、制御装置３０は、燃料電池スタック１の診断の必要性を示してもよく、図４のフローチャート３００に示され、メモリ内で機械が読み取り可能なコードとして具体化される診断アルゴリズム１７２を実行してもよい。図２及び図４を参照すると、制御装置３０のコード１７１が診断チェックの必要性を示す場合、診断アルゴリズム１７２が開始される（３０２）。制御装置３０は、制御装置３０に結合される各グループセンサ７の電気的特性を判定する。診断アルゴリズムは、閾値式（threshold equation）３０４が、各セルグループ５内で部分的なイベントが発生したこと、又は起こっている最中であることを示しているか否か判定する。閾値式３０４が、部分的なイベントが発生していないこと、又は起こっている最中でないことを示している場合、診断アルゴリズム１７２は、燃料電池スタック１の通常運転３１０を維持し、診断アルゴリズム１７２を終了させる（３１２）。閾値式３０４が、部分的なイベントが発生したこと、又は起こっている最中であることを示している場合、診断アルゴリズム１７２は、制御運転３０６を実行する。診断アルゴリズム１７２は、それから、閾値式を再テスト（retest）３０８する。閾値式の再テスト３０８が、依然として部分的なイベントが発生していることを示す場合、又はセルグループ５が部分的なイベントの発生から持続的動作効果（persistent operational effect）を示している場合（すなわち、グループセンサ７で検出されたセルグループ５の電気的特性が、部分的なイベントが修復された後も変化しないか、わずかしか変化しない場合）、診断アルゴリズム１７２は、制御運転３０６を実行し続ける。もし閾値式の再テスト３０８が、部分的なイベントが停止したか、又は持続的動作効果から通常運転状態に戻ったことを示した場合、診断アルゴリズム１７２は、燃料電池スタック１の通常運転３１０に戻り、診断アルゴリズム１７２を終了させる（３１２）。制御装置３０において、各グループセンサ７のそれぞれに対し、診断アルゴリズム１７２の複数回の反復が同時に行われてもよいこと、又は、１つの診断アルゴリズム１７２が制御装置３０に結合された各グループセンサ７に対して順次実行されてもよいことを理解すべきである。各セルグループ５のグループセンサ７によって検出されるインピーダンスの電気的特性が、セルグループ５全体に対してΩｃｍ2で正規化されることも予測される。
ある実施の形態で、監視対象となる電気的特性は、インピーダンスであり、閾値式３０４は、式１で示される最大インピーダンス閾値（の範囲）であってもよい。
Figure 2017201627
 ここで、セルグループインピーダンスは、各グループセンサ７によって測定されたインピーダンスである。最大インピーダンスは、燃料電池スタック１（図４）の使用期間（経年）、セルグループ５の使用期間（経年）、又は制御装置３０に伝達されるインピーダンスの大きさ（絶対値）に応じて変えてもよい。下記に限定されないが、例えば、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、複数の増加する閾値を備えてもよい。制御運転３０６は、複数の増加する閾値と比較して、セルグループ５のインピーダンス値に応じて変えてもよい。さらに、制御運転３０６は、一回又は複数回の反復で変化してもよい。なぜなら、セルグループ５の最大インピーダンス値が、閾値式３０４及び閾値の再テスト３０８における徐々に増加する複数の閾値中、そのうちの１つ又はそれ以上からなる異なる閾値セットを超えるように変化する可能性があるからである。以下に限定されないが、例えば、１つのグループセンサがセルグループのインピーダンスにおける大きな値への増加、例えば、０．０５Ωｃｍ2である通常値の２倍までの増加を示した場合、閾値式３０４又は閾値式の再テスト３０８は、部分的なイベントが起きたか、又は起きていることを示してもよい。診断アルゴリズム１７２は、異なる修復作業のために複数の閾値を有してもよい。例えば０．１Ωｃｍ2では、Ｈ2（すなわち、反応ガス）及び空気の供給を継続しつつ燃料電池スタックに対する電気的負荷を限定する第１の修復作業を行い、０．１５Ωｃｍ2では、燃料電池スタックをシャットダウンする（例えば、Ｈ2及び空気の供給を継続しつつ燃料電池スタックから電気的負荷を取り除いて負荷電流を０とする）第２の修復作業を行う。
以下に限定されないが、より具体的な例として、閾値セットは、セルグループ５のインピーダンス測定値が０．０９Ωｃｍ2を上回る第１閾値範囲、０．０７５Ωｃｍ2〜約０．０９Ωｃｍ2の第２閾値範囲、約０．０５Ωｃｍ2〜約０．０７５Ωｃｍ2の第３閾値範囲、約０．０５Ωｃｍ2を下回る第４閾値範囲、を含んでもよい。図４を通じてこの例を適用すると、１度目の実行時、インピーダンス測定値は約０．０６Ωｃｍ2であって、制御運転３０６（例えば、第１修復作業）で、セルグループ５のアノード通路１８１又はカソード通路１８０（図５Ｂ）内の閉塞を強制的に取り除くべく加圧するために、燃料電池スタック１への空気及び／又は反応ガスの量を増加させてもよい。閾値式の再テスト３０８において、インピーダンス測定値が約０．０８Ωｃｍ2まで上昇し、制御運転３０６（例えば、第２修復作業）で、調整（compensate）のため燃料電池スタック１の電気的負荷を減少させてもよい。２度目の実行時、閾値式の再テスト３０８では、約０．０９１Ωｃｍ2のインピーダンス測定値となり、制御運転３０６が燃料電池スタック１をシャットダウンしてもよい。反対に、２度目の実行時、閾値式の再テスト３０８で約０．０４Ωｃｍ2のインピーダンス測定値となれば、制御運転３０６が燃料電池スタック１の電気的負荷及び空気の供給を通常運転３１０まで戻してもよい。
さらに、燃料電池スタック１の状態を監視するために、監視対象の電気的特性は、電流であってもよく、診断アルゴリズム１７２は、セルグループ５の電流密度をパラメータとしてもよい（factor in）。インピーダンス測定に関連して上記に議論された通り、閾値のセットは、部分的なイベントが発生したこと、又は起こっている最中であることを特定するために、電流密度に対して用いられてもよい。電流密度は、燃料電池１５の活性面積（active area）に対する電流の比である。電流密度は以下図５Ａ、図５Ｂに関連して議論される。以下に限定にされないが、例えば、３００ｃｍ2の活性面積を有し約４００アンペアを生じさせる燃料電池スタック１では、約１．３３Ａ／ｃｍ2の電流密度となる。セル１５の一部における電流の集中（すなわち電流密度）が約１．３３Ａ／ｃｍ2を超えた場合、診断アルゴリズム１７２は、部分的なイベントを特定し、閾値セットと比較して、測定値（例えば、インピーダンス及び／又は電流密度）に基づいた適切な修復反応を開始してもよい。インピーダンス測定値及び／又は電流密度の閾値は、燃料電池推進システム２０の構成（図１）、より具体的には、燃料電池推進システム２０に電力を供給する燃料電池スタック１に基づいて決定されてもよいことを理解すべきである。ある実施形態において、閾値は、ＭＥＡの組成（構成）及びＭＥＡの表面積に基づいて決定されてもよい。
診断アルゴリズム１７２が、例えば、反応ガスのアノード欠乏のような部分的なイベントを特定した場合、制御運転３０６は、修復作業を開始するであろう。そのような修復作業は、以下の作業を含んでもよい。すなわち、バッテリ（例えば、蓄電装置２７（図１））からの電力が利用可能であれば、バッテリからの電力を利用して水素ポンプの高速回転による高圧力バイアスでのプロアクティブブリードを行うか、又は燃料電池スタックによる生成電力の断続的な上昇を行って、Ｈ2の流入量（インジェクタフロー）を増加させフラッディング状態を修復してもよい。水素ポンプの高速回転に代替して、又はそれと一緒に、レギュレータ又はインジェクタを開いてＨ2の流入量又は圧力を増加させることが可能である。さらに、Ｈ2の流入量又は圧力の増加と共に、燃料電池スタックの電気的負荷を減少させてもよい。Ｈ2の流量の増加は、バッテリの充電量を考慮しつつ、ポンプ１４３（図２）及び／又はインジェクタ（例えば、他の装置１６５（図２））の圧力増加制御に基づいてなされてもよいことが予測される。
さらに高い電流密度（及びさらに高い冷媒温度）において、診断アルゴリズム１７２は、燃料電池スタック１の電力制限及びシャットダウンのために高電流密度閾値のセットを有するであろう。以下に限定されないが、例えば、下記の表１の「燃料電池スタックのシャットダウン」は、診断アルゴリズム１７２によって、燃料電池１５のＭＥＡの過度なドライアウトを検出することを含んでもよく、制御運転３０６がＭＥＡの過度なドライアウトに応じて燃料電池スタック１をシャットダウンしてもよい。限定とならない他の例では、下記の表１の「燃料電池スタックのシャットダウン」は、燃料電池スタック１のシャットダウン中、漏れ検出のための診断を実行する制御運転３０６を含んでもよい。大きな漏れが検出された場合、制御運転３０６は米国特許出願第１４／７４２，７８５号に示される改変シャットダウン方法（参照することによりその内容全体をここに組み込む）を実行してもよい。他の例では、下記の表１の「燃料電池スタックのシャットダウン」は、制御運転３０６によって一旦燃料電池スタック１がシャットダウンされると、燃料電池スタック１を再起動不可能としてもよい。全ての実施形態に対し、以下の表１は、診断アルゴリズム１７２がどのように、部分的なイベントに対処する可能性があるかという例である。
Figure 2017201627
 表１−制御運転作業
本実施の形態に係る様々な閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８が、以下に説明される。インピーダンス及び電圧が具体的に言及されるが、本明細書及び図面で記載される如何なる電気的特性も、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８で用いられることが可能であることを理解すべきである。換言すれば、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、インピーダンス及び電圧のみに限定されない。
ある実施の形態において、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、以下の式によって行われてもよい。
Figure 2017201627
 本実施の形態において、診断アルゴリズムが、セルグループのインピーダンスの急激な変化を検出した場合、制御運転３０６が実行される。閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、閾値（例えば、０．０１Ωｃｍ2／秒）を超えるセルグループのインピーダンスの微分係数の増加として、又は所定の時間内（例えば１秒）で、閾値を超えるセルグループのインピーダンス値の単なる差異として、実行される。表１は、本実施の形態の制御運転３０６の例である。
ある実施の形態において、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、以下の式によって行われてもよい。
Figure 2017201627
 本実施の形態において、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、分離係数γを含み、それは例えば、１．５又は２であってもよい。分離係数γは、閾値であって、燃料電池スタック内のあるセルグループのインピーダンスが他のセルグループのインピーダンスより大きい状況を特定するために用いられ、部分的なイベントが生じているセルグループを示している可能性がある。下記に限定されないが、例えば、燃料電池スタック内の１つのセルグループのインピーダンスが他のセルグループのインピーダンスより高く（式３）、他のセルグループのインピーダンスより高いセルグループのインピーダンスの急激な変化が検出され（式２）、さらに選択的にその分離が持続する（すなわち、持続的動作効果）場合、制御運転３０６が行われる。上記の分離係数（式３）の式は、次のように記載されてもよいことに注意すべきである。
Figure 2017201627
 表１は、本実施の形態の制御運転３０６の例である。
ある実施の形態において、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、式４で、監視対象の電気的特性としてインピーダンスの代わりに電圧を用いて行われてもよい。電圧の分離係数γは、約０．９ボルト（又は約１０％の分離）であってもよい。表１は、本実施の形態の制御運転３０６の例である。
ある実施の形態において、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、式２で、監視対象の電気的特性としてインピーダンスの代わりに電圧を用いて行われてもよい。表１は、本実施の形態の制御運転３０６の例である。
ある実施の形態において、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、以下の式によって行われてもよい。
Figure 2017201627
 本実施の形態において、診断アルゴリズムは、通常運転時のセルグループのインピーダンスに対するセルグループのインピーダンス測定値を評価することにより、セルグループで部分的なイベントが起こっているかを判定する。インピーダンス比は、グループセンサから得られたインピーダンス測定値を通常運転時のセルインピーダンスで除算することにより得られる。表１は、本実施の形態の制御運転３０６の例である。
ある実施の形態において、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、式４で、監視対象の電気的特性として各セルグループのインピーダンスの代わりにインピーダンス比を用いて行われてもよい。表１は、本実施の形態の制御運転３０６の例である。
ある実施の形態において、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、以下の式によって行われてもよい。
Figure 2017201627
 ここで、通常のセルグループのインピーダンスの変化率に対する各セルグループの変化率を比較して、各セルグループで部分的なイベントが生じているか判定する。表１は、本実施の形態の制御運転３０６の例である。通常のセルグループの変化率は、所定の閾値とするか、又は燃料電池スタック１の各セルグループ５の電気的特性の変化率を互いに比較し、平均から遠い（outlying）測定値を特定すれば、それが少なくとも１つのセルグループ５に部分的なイベントが生じていることを示すであろうということが予測される。
ある実施の形態において、閾値式３０４及び閾値式の再テスト３０８は、以下の式によって行われてもよい。
Figure 2017201627
 ここで、あるセルグループの変化率が、通常のセルグループのインピーダンスの変化率に対して比較され、部分的なイベントがそのセルグループ内に生じているか判定される。表１は、本実施の形態の制御運転３０６の例である。
図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、セル転極の原因には、燃料電池１５の電圧（Ｖcell）を反転させる反応ガスの欠乏（すなわち、反応ガス欠乏転極モード）、又は インピーダンス損失による転極（すなわちＩＲ損失転極モード）が含まれる。燃料電池スタック１内の空気の欠乏は、セル転極を生じさせないことが予測される。空気の欠乏によるそのような転極は、燃料電池１５毎で約−１ボルトよりずっと小さく、一般的に燃料電池１５毎で約−０．１ボルト程度である。
反応ガス欠乏転極モードは、燃料電池１５の電極において水の存在下に酸素発生反応（ＯＥＲ）又は炭素酸化反応（ＣＯＲ）が起こる場合、一般的に約−１ボルトよりも小さなセル転極を引き起こす。炭素酸化反応（ＣＯＲ）は、電極の劣化をもたらすが、深刻な短絡（hard short）とはならないであろう。しかしながら、一旦、燃料電池１５の電極の炭素が消費されると、これらの何れの反応も起こすことなく、燃料電池１５の電圧は、約−１ボルトを下回って降下し深刻な短絡を生じさせる可能性がある。深刻な短絡とは、燃料電池１５の１つ又は両方の電極内での電流の集中量（concentrated quantity）として規定される。深刻な短絡は、バイポーラプレート（例えば、図５Ｂの第１バイポーラプレート５５Ａ及び／又は第２バイポーラプレート５５Ｂ）内の孔のような、燃料電池１５に対する半永久的な損害（damage）となる可能性がある。軽微な短絡（soft short）とは、半永久的な損害とはならないが、短絡が生じた燃料電池１５による電力生成に寄生的な損失（parasitic power loss）を与える。上記の修復動作は、軽微な短絡を修復するように調整されてもよい。
セル転極は、燃料電池１５内のＩＲ損失によっても起きる。「Ｖcell＝Ｖe−ＩＲ＝Ｖe−Σｊ×Ｒ」であって、ここでＶeは電極電圧（すなわち、図５Ｂの第１バイポーラプレート５５Ａ又は第２バイポーラプレート５５Ｂの何れか）、Ｉは合成電流、ｊは部分電流、Ｒは電極の抵抗とＤＭの抵抗とＭＥＡ５０のプロトン性抵抗との総和である。
図５ＡはＭＥＡ５０の上面図、図５Ｂは複数の燃料電池１５を備えるセルグループ５の側面断面図であって、中央の燃料電池１５Ｂ内で電流量が集中する場所を強調している。まず図５Ａを参照すると、アノード入口２００、アノード出口２０１、カソード入口２０２、及びカソード出口２０３と共に燃料電池１５のＭＥＡ５０が示されている。セル転極の共通な根本的原因は、電流密度の偏在である。電流の流れは、図５Ａ及び図５Ｂに矢印で示され、電流密度の偏在が互いに近接する一連の矢印又はその集中によって示されている。電流密度の偏在は、上述した反応ガスの欠乏、又は膜の過度のドライアウト、の何れかによって起こる可能性がある。反応ガスの欠乏の場合、電流密度は、図５Ａに示される通り、アノード入口２００の近傍に移動して集中する（ドットによって示される）。膜が過度にドライアウトした場合、電流密度は、カソード出口２０３の近傍でＭＥＡ５０の最も湿度の高い領域に移動して集中する。
図５Ｂを参照すると、電流偏在の何れの場合においても、セル転極が生じている燃料電池１５（例えば、中央の燃料電池１５Ｂ）内の電流の分布は、バイポーラプレート５５（例えば、第１バイポーラプレート５５Ａ及び／又は第２バイポーラプレート５５Ｂ）内の面電流となり、次に、ＤＭが燃料電池１５（例えば、中央の燃料電池１５Ｂ）のインピーダンス損失による大きな電圧（ＩＲ）降下を生じさせる。バイポーラプレート５５Ａ、５５Ｂ内の面電流が、中央の燃料電池１５Ｂに一連の矢印として示され、バイポーラプレート５５Ａ、５５Ｂ内での電流の向きを示している。図５Ａを参照して議論された電流密度の偏在が、中央の燃料電池１５Ｂに、ＭＥＡ５０を第２バイポーラプレート５５Ｂから第１バイポーラプレート５５Ａへ通過する近接した平行な矢印として示される。外側の燃料電池１５（例えば、上方の燃料電池１５Ａ及び下方の燃料電池１５Ｃ）は、均一な電流密度を有する通常動作の燃料電池１５を示す。
図５Ｂで鉛直方向に近接する燃料電池１５（例えば、上方の燃料電池１５Ａ、中央の燃料電池１５Ｂ、及び下方の燃料電池１５Ｃ）として示されるように、面内パスが数十センチメートルとして示され、これに対し通常運転時の電流は断面方向に移動しそのパスは０．５ミリメートル未満である（すなわち、１００倍のオーダーとなる）。この大きく長い面内パスの増加が大きな抵抗となり、インピーダンス、高周波抵抗、又はＩＲ損失に対応する電圧降下を通じて、燃料電池１５のセル転極を検出するグループセンサ７で測定可能である。
実験結果
図６は、反応ガス欠乏転極モード（すなわち、５個の燃料電池からなる燃料電池スタックの１つの燃料電池におけるアノード欠乏）のような部分的障害による燃料電池の転極をグラフにより表す図である。横方向の軸は時間（秒）を、左側の上下方向の軸は電流密度［Ａ／ｍ2］、アノードストイキ（比）、電圧［Ｖ］、及びインピーダンスすなわち抵抗［Ωｃｍ2］を表す。５つの直列に接続された燃料電池からなる燃料電池スタックが用いられ、図６のグラフに示されるデータを取得した。１つのセンサ（例えば、図２のグループセンサ７）が燃料電池スタックに結合され、燃料電池スタック全体の電圧、インピーダンス、及びＩＲを検出した。換言すると、センサは、個々の燃料電池ではなくセルグループの電気的特性を検出する。
中央の燃料電池（すなわち、第３）の幾つかのアノード通路１８１（図５Ｂ）を閉塞することにより、燃料電池スタック内の残りの燃料電池に比べてアノードストイキが低くなる（三角のプロット）ような部分的障害を５個の燃料電池のスタック内に生じさせた。燃料電池スタックは、約０．６Ａ／ｃｍ2の定電流密度（Ｘのプロット）で、一定の電力出力で動作させた。約２２００秒で、アノードストイキ（三角のプロット）を１付近まで減少させた。欠乏していない燃料電池（第１、第２、第４、及び第５）は、転極が起こらなかった（図６に示さず）が、欠乏した燃料電池（すなわち、第３）は、約＋０．８ボルトから約−１．６ボルト（菱形のプロット）へ転極した。同時に、第３燃料電池のインピーダンス（丸のプロット）は、約３Ωｃｍ2まで増加し、ＩＲ補正電圧（すなわち、電極電圧Ｖe）（正方形のプロット）は、約−０．４ボルトとなった。転極を生じていない燃料電池の通常のインピーダンス値は、約０．０５Ωｃｍ2のオーダーであることに注意する。図６のインピーダンス値（丸のプロット）と通常のインピーダンス値を比較すると、第３燃料電池のインピーダンスは、６０倍に増加した。燃料電池のグループ内の単独の燃料電池の反応ガス欠乏転極モードによる、検出されたインピーダンスの増加が、５個の燃料電池からなる燃料電池スタック全体に接続されたセンサによって検出されたことに注意する。
図２に戻り、１つの燃料電池１５のインピーダンスの増加は、セルグループ５全体のインピーダンスの変化として、特定可能である。例えば、５０個の燃料電池１５からなるセルグループ５は、通常運転時のセルグループ５のインピーダンスで約０．０５Ωｃｍ2×５０＝２．５Ωｃｍ2となるであろう。同じセルグループ５で障害がある場合、例えば１つの燃料電池でセル転極が生じた場合、セルグループ５のインピーダンスは、約０．０５Ωｃｍ2×４９＋（３Ωｃｍ2×１） ＝５．４５Ωｃｍ2となる。等式中（３Ωｃｍ2×１）の部分の「３Ωｃｍ2」の要素は、図６に関して既に上述した通り、セル転極が生じた燃料電池が約３Ωｃｍ2のインピーダンス値を有することを示す。この計算は、５０個の直列に接続された１つのセルグループ５に、セル転極を生じた１つの燃料電池がある場合、グループセンサ７によって検出されるインピーダンスは、約２．５Ωｃｍ2から約５．４５Ωｃｍ2という約２倍の値になる可能性があることを示している。換言すれば、燃料電池１５毎に正規化されたインピーダンス値は、約０．０５（２．５／５０）Ωｃｍ2から約０．１０９（５．４５／５０）Ωｃｍ2へ増加するであろう。
図７は、反応ガス欠乏転極モードによる燃料電池の転極に関する他のデータセットをグラフにより表す図である。すなわち、約０．６Ａ／ｃｍ2で動作している３つの燃料電池からなる燃料電池スタック内で、１つの燃料電池にアノード欠乏が生じた場合を示す。燃料電池スタックは、３つの燃料電池からなり（第１、第２及び第３）、第２燃料電池の幾つかのガス流路（すなわち、単数又は複数のアノード通路１８１（図５Ｂ））が閉塞した状態で運転させた。セル電圧及びインピーダンスの両方が、第２燃料電池の様々な場所で測定された。さらに、インピーダンスのデータが、約１００Ｈｚから約１０ｋＨｚに渡って異なるグループ周波数で収集された。図７は、以下を示す。すなわち、燃料電池スタックの電圧（丸の線）、燃料電池スタックのインピーダンス（六角形のプロット）、第１及び第３燃料電池の電圧（正方形のプロット）、第１及び第３燃料電池のインピーダンス（三角形のプロット）、第２燃料電池のインピーダンス（菱形のプロット）、第２燃料電池のセル電圧（Ｘのプロット）である。第１電気的特性センサ（例えば、グループセンサ７（図２））が第１燃料電池に結合され、第２電気的特性センサが第２燃料電池に結合され、第３電気的特性センサが第３燃料電池に結合され、スタックセンサが燃料電池スタックに結合された。図示されるように、燃料電池スタックのアノードストイキが減少されたので、第１及び第３燃料電池にはアノード欠乏が生じず、転極が起こらなかった。しかしながら、第２燃料電池は、アノード欠乏が起こり、セル転極を示した。同時に、燃料電池スタックのインピーダンス（六角形のプロット）及び第２燃料電池のインピーダンス（菱形のプロット）が約１Ωｃｍ2から約６．５Ωｃｍ2、すなわち通常値の約１２０倍まで増加した。約９９８秒以降において、Ｈ2及び空気を燃料電池スタックへ継続的に供給しつつ電気的負荷を解放することにより、電流密度がゼロ（０Ａ／ｃｍ2）となった。
図８は、異なる周波数グループでの、セル転極を起こした燃料電池のインピーダンス比をグラフにより表す図である。すなわち、１００Ｈｚ（丸のプロット）、２００Ｈｚ（三角のプロット）、３００Ｈｚ（菱形のプロット）、５００Ｈｚ（正方形のプロット）、及び１０ｋＨｚ（Ｘのプロット）を示す。セル転極を起こした燃料電池の電圧は、負の方向に増加（すなわち、負電圧がゼロより下に増加している、絶対値が大きくなっている）するにつれて、インピーダンス比も増加している。図８の代表的な点において、３つの上下方向の軸は、５つ全てのプロット曲線を横切って、インピーダンス比が約３２％（２３０）、約７５％（２３１）、約１１３％（２３２）となっている。
約−２ボルトで、インピーダンス比は周波数に拠らず同様であるが、燃料電池の転極が増加するにつれて、セル電圧の転極が大きくなり、大きなインピーダンス比となる。通常運転状態のＭＥＡ５０のインピーダンスは、より高い周波数で低くなることが予測される。なぜなら、センサは、電極効果に左右されないからである。図８は、セルグループの個々の燃料電池に付与されるグループ周波数によらず、セル転極が生じた燃料電池のセル電圧の大きさ（絶対値）が増加するにつれてインピーダンス比が増加することを示している。燃料電池にセル転極が生じた際に、グループ周波数を調整してインピーダンス比を一番大きくすることが可能であるということが予測される。例えば、グループ周波数が大きいほどインピーダンス比が大きいことが予測される。勿論、グループ周波数は、バックグラウンドノイズ、信号損失等の原因となるはずである。
図９は、ＩＲ損失転極モードのような部分的なイベントによるＭＥＡのドライアウトが生じた５個の燃料電池を備える燃料電池スタックのインピーダンス及び電圧をグラフにより表す図である。部分的障害は、５個の燃料電池からなるスタックの、中央の燃料電池（すなわち、第３）用の冷媒通路１８２（図５Ｂ）の幾つかを閉塞させることにより生じさせた。この場合、冷媒温度が最高許容動作値となる１．１Ａ／ｃｍ2の電流密度（丸のプロット）及び９５℃の冷媒で、最大電力出力で作動させた。第３燃料電池の冷媒通路１８２の幾つか（全てではない）を閉塞させて、第３燃料電池は、第１、第２、第４、及び第５燃料電池に比べて１０℃だけ高い温度である約１０５℃で動作した。５個全ての燃料電池の出口相対湿度を比較して、第１、第２、第４、及び第５燃料電池がカソード出口で７０％の相対湿度を有し、第３燃料電池のカソード出口で５０％の相対湿度を有するように、第３燃料電池の入口相対湿度は２５％まで低減された。これらの動作条件の下、燃料電池スタックの起動後約５４３８秒の後、第３燃料電池には、セル転極が生じた。第３燃料電池は、約−５ボルトの転極を生じ（三角のプロット）、第３燃料電池の関係するインピーダンスは、約０．０５Ωｃｍ2から約２．８Ωｃｍ2（正方形のプロット）まで上昇した。燃料電池スタックのインピーダンスも、約０．４Ωｃｍ2から約３Ωｃｍ2（菱形のプロット）まで上昇した。残余の燃料電池である第１、第２、第４、及び第５燃料電池のインピーダンス（Ｘのプロット）は、セル転極の間約０．１Ωｃｍ2のままであった。これは、残余の燃料電池のインピーダンスに対して第３燃料電池のインピーダンスが約３０倍（３Ωｃｍ2／０．１Ωｃｍ2）の増幅となっている。
図１０を参照すると、部分的なイベント中のインピーダンスの変化率が示される。図１０は、異なるグループ周波数における図７の第２燃料電池のデータを使用している。すなわち、１００Ｈｚ（丸のプロット）及び１０ｋＨｚ（三角のプロット）である。部分的障害の他の検出アプローチとして、部分的障害によるインピーダンスの増加を識別するために、インピーダンスの変化率（ｄ（インピーダンス）／ｄｔ）の監視を利用可能であることが予測される。例えば、２つの部分的なイベントが、以下の式８を使用することにより特定及び区別可能であることが予測される。電流の偏在によるインピーダンス上昇率の変動（dynamics）（すなわち、左辺１項）は、膜の水分過剰（membrane hydration）によるインピーダンス上昇率（すなわち、左辺２項）から識別可能である。
Figure 2017201627
式８を用いて、差αが閾値を超えていれば、燃料電池内の電流偏在を示し、修復作業の開始のために使用されることが可能である。修復作業は、本明細書で詳述した電力制限又はシャットダウンの制御作業と同様なものとなるであろう。
図１０は、燃料電池の経年変化も示している。部分的なイベントが生じた燃料電池のインピーダンスの変化は、燃料電池の電極の劣化度合いに応じて異なる。燃料電池が劣化する前の新品（すなわち、「寿命初期」）の燃料電池のセルグループに対するグループセンサが新しいプロット１９０で示されている。寿命初期とは、燃料電池スタックが起動する時、又は完全に燃料電池スタックが新しい時、のどちらの意味でもよい。古いプロット１９１のセットは、新しいプロット１９０と比較した場合、燃料電池及び燃料電池スタックの使用期間（経年）が、測定されたインピーダンス値にもたらす差異を強調するために示される。部分的な障害を検出するために用いられる診断アルゴリズムは、部分的なイベントを監視及び特定する際の、燃料電池及び／又は燃料電池スタックの経年及び／又は起動時を考慮してもよいことが予測される。燃料電池スタック１が経年劣化するにつれて、制御装置３０が表又はグラフを使用して、メモリに記憶され部分的なイベントを特定するための単数又は複数の閾値を調整可能であることが予測される。
最小限のセンサ及び関連機器で燃料電池スタック内の部分的なイベント又は障害を特定する能力は、制御装置が被る被害を排除するか又は少なくとも低減することを可能にし、車両を修理施設まで運ぶよう燃料電池スタックの動作を継続させる能力を増加させる可能性がある。燃料電池に部分的なイベントが生じた際に、電気的特性の変化は微細であるので、個々の燃料電池の監視が要求される。本明細書及び図面で説明した通り、個々のセル監視の代替策は、燃料電池をグループ化することである。燃料電池をグループ化することは、監視の複雑さを減少させ、燃料電池スタックの状態を監視するために必要な構成要素の数を減少させる。
本明細書で用いられる文言「センサ」は、物理量を測定して、それを物理量の測定値に相関する信号に変換する装置を意味することを注意する。さらに、文言「信号」は、電流、電圧、磁束、ＤＣ、ＡＣ、正弦波、三角波、方形波等のような、１つの位置から他の位置へ送信されることが可能な電気的、磁気的、又は光学的波形を意味する。電気的特性で示される極性は、参照のためだけであり、センサの接続に応じて反転されてもよいことを、当業者は理解すべきである。本明細書で示される極性は、好ましいセンサ接続を示していると予測される。
他に規定されない限り、本明細書及び図面で用いられる全ての技術及び科学用語は、請求項の主題が属する技術分野の当業者によって共通に理解される意味と同じ意味を有する。本明細書で用いられる用語は、特定の実施の形態を説明するためだけであり、限定することを意図しない。明細書及び添付される請求項で用いられるように、単数を示す「１つ」（ａ、ａｎ、ｔｈｅ）は、文脈が明確にそうでない場合を示す以外は、複数も含むことが意図される。
本発明を記載し規定するために、本明細書で用いられる文言「略（又は実質的に）」、「約」は、何らかの量的な比較、値、測定値及び他の表現に起因する可能性のある、内在する不確かさの度合いを示すことに留意されたい。これらの文言は、問題となる主題の基本的な機能に変化をもたらさずに、量的な表現が記載された内容から変化する可能性があるという度合いを示す。
本開示中に使用されるある文言は、便宜を計るためだけであり、何ら限定するものではない。文言「左」、「右」、「前」、「後」、「上」及び「下」は、参照される図面上の方向を示す。そのような文言は、上記の文言の他、その派生語及び同様な趣旨の文言を含む。
以下において、文言「インピーダンス」は、一般的に電気的インピーダンスの意味で用いられ、それはオーム性成分の他に容量性成分及び／又は誘導性成分を含む。従って、文言「インピーダンス値」は、一般的にインピーダンスの何れか又は全ての成分を反映した複素数値又はベクトル値として参照される。ある実施の形態において、インピーダンスは、オーム性抵抗であり、対応するインピーダンス値は抵抗値となる。しかしながら、容量性及び／又は誘導性のインピーダンス成分は、オーム性成分に替えて、又はオーム性成分に加えて評価されてもよい。文言「インピーダンス値」は、さらに、比導電率、容量等のインピーダンス又はインピーダンス成分に相関性を持って導出可能な値として、加えてインピーダンスによる電圧降下等の、インピーダンス又はインピーダンス成分に相関性を持つ電気的測定値として、言及されてもよい。
特定の実施の形態が本明細書及び図面で説明されたが、請求項の主題の真意及び範囲から逸脱することなく、様々な他の改変及び変形が可能であることを理解すべきである。さらに、本明細書及び図面で請求項の様々な主題の態様が説明されたが、そのような態様は、組みあわせて利用される必要はない。従って、添付の請求項が、その主題の範囲内にある全ての改変及び変形を含むことが意図される。

Claims (20)

  1. 複数のセルグループと、制御装置とを備える燃料電池スタックであって、
    各セルグループは、複数の燃料電池と１つのグループセンサを備え、
    前記グループセンサは、前記各セルグループの単数又は複数の電気的特性を測定し、
    前記制御装置は、単数又は複数のプロセッサと、メモリとを備え、
    前記制御装置は、各グループセンサに通信可能に結合され、
    前記単数又は複数のプロセッサは、機械が読み取り可能な命令を実行して、
    各セルグループの測定された電気的特性とメモリに記憶される単数又は複数の閾値とを比較し、
    前記比較が部分的イベントを示す場合、前記燃料電池スタックの診断の必要性を示す
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    前記電気的特性は、前記セルグループのインピーダンスであり、前記単数又は複数のプロセッサは機械が読み取り可能な命令を実行して、各セルグループの測定されたインピーダンスとメモリ内のインピーダンス閾値を比較し、単数又は複数のセルグループの前記測定されたインピーダンスが前記インピーダンス閾値に略等しいか又は大きい場合、部分的イベントを示す
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  3. 請求項２に記載の燃料電池スタックであって、
    前記単数又は複数のプロセッサは、機械が読み取り可能な命令を実行して、前記セルグループが経年変化した際に前記インピーダンス閾値を調整する
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  4. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    前記電気的特性は、前記セルグループのインピーダンスであり、前記単数又は複数のプロセッサは機械が読み取り可能な命令を実行して、前記各セルグループの前記インピーダンスの変化率を測定し、前記セルグループの前記インピーダンスの前記変化率がインピーダンスの変化率の閾値に略等しいか又は大きい場合、前記セルグループの部分的イベントを示す
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  5. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    前記単数又は複数のプロセッサは機械が読み取り可能な命令を実行して、
    各セルグループの前記電気的特性の測定値を比較し、
    前記燃料電池スタック内の残余のセルグループの電気特性から分離係数分より大きい電気特性を有するセルグループを特定する
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  6. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    前記電気的特性はグループ周波数であり、前記単数又は複数のプロセッサは機械が読み取り可能な命令を実行して、各セルグループのインピーダンスを前記グループ周波数で測定する
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  7. 請求項６に記載の燃料電池スタックであって、
    前記グループ周波数は、約１００Ｈｚ〜約１０ｋＨｚである
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  8. 請求項６に記載の燃料電池スタックであって、
    前記グループ周波数は、より低い周波数では測定されたより大きなインピーダンスとなり、より高い周波数では測定されたより小さなインピーダンスとなるように、各セルグループの前記測定されたインピーダンスの大きさを増加させるように調整される
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  9. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    前記電気的特性は、前記セルグループの電圧であり、前記単数又は複数のプロセッサは機械が読み取り可能な命令を実行して、各セルグループの測定された電圧と電圧閾値とを比較し、単数又は複数のセルグループの前記測定された電圧が前記電圧閾値に略等しいか又は小さい場合、部分的イベントを示す
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  10. 請求項９に記載の燃料電池スタックであって、
    前記単数又は複数のプロセッサは機械が読み取り可能な命令を実行して、前記セルグループが経年変化した際に前記電圧閾値を調整する
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  11. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    前記電気的特性は前記セルグループの電圧であり、前記単数又は複数のプロセッサは機械が読み取り可能な命令を実行して、
    前記各セルグループの前記電圧の変化率を測定し、
    前記セルグループの前記電圧の前記変化率が電圧の変化率の閾値に略等しいか又は大きい場合、前記セルグループの部分的イベントを示す
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  12. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    第１閾値及び第２閾値がメモリに記憶され、前記単数又は複数のプロセッサは機械が読み取り可能な命令を実行して、
    前記測定された電気的特性と前記第１閾値及び前記第２閾値とを比較し、
    前記測定された電気的特性と前記第１閾値との前記比較が部分的イベントを示した場合、第１修復作業を実行し、
    前記測定された電気的特性と前記第１閾値及び前記第２閾値との前記比較が両方とも部分的イベントを示した場合、第２修復作業を実行する
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  13. 請求項１２に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第１修復作業は、前記燃料電池スタックを通過する反応物質の流れを増加させ、前記第２修復作業は、前記燃料電池スタックをシャットダウンさせる
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  14. 請求項１２に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第１修復作業は、前記燃料電池スタックの電気的負荷を減少させ、前記第２修復作業は、前記燃料電池スタックをシャットダウンさせる
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  15. 請求項１２に記載の燃料電池スタックであって、
    前記単数又は複数のプロセッサは機械が読み取り可能な命令を実行して、
    前記第１修復作業が実行された後、前記測定された電気的特性と前記第１閾値を比較し、
    前記測定された電気的特性と前記第１閾値との前記比較が部分的障害を示していない場合、前記燃料電池スタックの通常運転を再開し、
    前記第２修復作業が実行された後、前記測定された電気的特性と前記第２閾値を比較し、
    前記測定された電気的特性と前記第１閾値及び前記第２閾値との前記比較が両方とも部分的障害を示していない場合、前記燃料電池スタックの通常運転を再開する、
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  16. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    個々の燃料電池の監視は要求されない
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
  17. 制御装置と、燃料電池スタックと、単数又は複数の弁と、単数又は複数の燃料貯蔵容器とを備える燃料電池推進システムであって、
    前記単数又は複数の弁が、前記単数又は複数の燃料貯蔵容器を前記燃料電池スタックへ流体結合し、
    各燃料貯蔵容器は反応物質又は空気の何れかを貯蔵し、
    前記燃料電池スタックは、複数のセルグループを備え、
    各セルグループは、複数の燃料電池と１つのグループセンサを備え、
    前記グループセンサは、前記各セルグループの単数又は複数の電気的特性を測定し、
    前記制御装置は、単数又は複数のプロセッサと、メモリとを備え、
    前記制御装置は、各グループセンサに通信可能に結合され、
    前記単数又は複数のプロセッサは、機械が読み取り可能な命令を実行して、
    測定された電気的特性とメモリに記憶される単数又は複数の閾値とを比較し、
    前記比較が部分的イベントを示す場合、前記単数又は複数の弁を付勢して前記燃料貯蔵容器から前記燃料電池スタックへの反応物質又は空気の流れを調整する
    ことを特徴とする燃料電池推進システム。
  18. 請求項１７に記載の燃料電池推進システムであって、
    前記電気的特性は、前記セルグループのインピーダンスであり、前記単数又は複数のプロセッサは機械が読み取り可能な命令を実行して、各セルグループの測定されたインピーダンスとメモリ内のインピーダンス閾値を比較し、単数又は複数のセルグループの前記測定されたインピーダンスが前記インピーダンス閾値に略等しいか又は大きい場合、部分的イベントを示す
    ことを特徴とする燃料電池推進システム。
  19. 請求項１７に記載の燃料電池推進システムであって、
    前記単数又は複数のプロセッサは、機械が読み取り可能な命令を実行して、
    各セルグループの測定された電気的特性を比較し、
    前記燃料電池スタック内の残余のセルグループの電気特性から分離係数分より大きい電気特性を有するセルグループを特定する
    ことを特徴とする燃料電池推進システム。
  20. 請求項１７に記載の燃料電池推進システムであって、
    前記電気的特性は、前記セルグループの電圧であり、前記単数又は複数のプロセッサは機械が読み取り可能な命令を実行して、各セルグループの測定された電圧と電圧閾値とを比較し、単数又は複数のセルグループの前記測定された電圧が前記電圧閾値に略等しいか又は小さい場合、部分的イベントを示す
    ことを特徴とする燃料電池推進システム。
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