JP2020198208A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】特に含水量が増加している単セルが存在する場合に、セル電圧の安定性の低下や劣化の進行を抑える。【解決手段】燃料電池システムは、複数の測定対象グループの各々のインピーダンスを測定して、燃料電池スタックにおける単セル当たりの平均含水量と、最大含水量セルにおける含水量である最大含水量と、を導出する含水量導出部と、平均含水量の水分を有する単セルにおける圧力損失と、乾燥状態の単セルにおける圧力損失と、の比である第１圧損比を導出すると共に、最大含水量セルにおける圧力損失と、乾燥状態の単セルにおける圧力損失と、の比である第２圧損比を導出する圧損比導出部と、第１圧損比に対する第２圧損比の比が、予め定めた基準値以上のときに、燃料電池スタック内の水分量を抑制する含水量抑制制御部と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池内部の水分量を推定する方法として、交流インピーダンス法を用いて燃料電池のインピーダンスを測定する方法が知られている。このような方法として、例えば、燃料電池スタックを構成する複数の単セルのうちの、相対的に乾燥しやすい特定セルのインピーダンスを計測し、計測したインピーダンスの値を用いて燃料電池スタックの平均的な含水量を推定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−００４２９９号公報

しかしながら、燃料電池スタックの平均的な含水量が標準的な値であっても、燃料電池スタックにおいて、特に含水量が増加している単セルが存在する場合には、この含水量が増加している単セルにおいて、液水によってガスの流通が抑制されることで、セル電圧の安定性が低下する場合がある。そして、このようにガス流通が抑制された単セルにおいては、劣化の進行が速まる可能性がある。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、複数の単セルが積層された燃料電池スタックを備える燃料電池システムが提供される。前記複数の単セルは、複数の測定対象グループに分かれており、燃料電池システムは、前記複数の測定対象グループの各々のインピーダンスを測定して、前記燃料電池スタックにおける単セル当たりの含水量の平均値である平均含水量と、前記複数の単セルのうちで含水量が最も多い最大含水量セルにおける含水量である最大含水量と、を導出する含水量導出部と、前記平均含水量の水分を有する前記単セルにおける圧力損失と、乾燥状態の前記単セルにおける圧力損失と、の比である第１圧損比を導出すると共に、前記最大含水量セルにおける圧力損失と、乾燥状態の前記単セルにおける圧力損失と、の比である第２圧損比を導出する圧損比導出部と、前記第１圧損比に対する前記第２圧損比の比が、予め定めた基準値以上のときに、前記燃料電池スタック内の水分量を抑制する含水量抑制制御部と、を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックにおいて、特に含水量が増加している単セルが存在する場合には、単セル当たりの平均的な含水量が標準的な値であっても、含水量が増加している単セルが存在することを検知して、含水量抑制処理を実行することができる。そのため、含水量が増加している単セルの含水量を低減して、液水に起因するガス流通の抑制を抑え、セル電圧を安定化し、単セルにおける劣化の進行速度を抑えることができる。そして、含水量が増加しているセルの存在を検知するために第１圧損比に対する前記第２圧損比の比を用いるため、特に精度良く上記検出を行なうことができる。
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池における含水量低減方法、燃料電池システムの制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの概略構成を表わす説明図。 第１拡散抵抗の算出に係る部分を説明するための機能ブロック図。 コールコールプロット図。 コールコールプロット図。 含水量抑制制御処理ルーチンを表わすフローチャート。 単セル内の水分量とＷｅｔ／Ｄｒｙ圧損比との関係を示す説明図。

Ａ．燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１０の概略構成を模式的に表わす説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、電気自動車に搭載されて駆動用電源として用いることができる。あるいは、燃料電池システム１０は、定置型電源として用いてもよい。本実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１５と、燃料ガス供給系２０と、酸化ガス供給系３０と、セルモニタ６６と、制御部５０と、を備える。そして、燃料電池スタック１５には、電力回路６０が接続されている。燃料ガス供給系２０および酸化ガス供給系３０は、反応ガス供給部とも呼ぶ。

燃料電池スタック１５は、単セル７０が複数積層された構成を有している。本実施形態では、燃料電池スタック１５が備える個々の単セル７０は、いずれも同じ形状および構造を有している。本実施形態の燃料電池スタック１５は、固体高分子形燃料電池であるが、固体酸化物形燃料電池等、他種の燃料電池を採用してもよい。燃料電池スタック１５を構成する各単セル７０では、電解質膜の一方の面側であるアノード側に、燃料ガスが流れる流路（アノード側流路）が形成され、電解質膜の他方の面側であるカソード側に、酸化ガスが流れる流路（カソード側流路）が形成されている。なお、燃料電池スタック１５の内部には、燃料電池スタック１５を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路が形成されているが、図１では、このような冷媒流路、および、冷媒流路内に冷媒を循環させるための冷媒系については、記載を省略している。

燃料ガス供給系２０は、燃料ガスタンク２１と、燃料ガス供給管２２と、燃料ガス排気管２３と、燃料ガス還流管２４と、主止弁４０と、可変調圧弁４２と、気液分離器４５と、水素ポンプ４４と、を備える。燃料ガスタンク２１は、燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給管２２を介して燃料電池スタック１５のアノード側流路に接続されている。燃料ガス供給管２２上において、燃料ガスタンク２１から近い順に、主止弁４０と可変調圧弁４２とが設けられている。可変調圧弁４２は、燃料ガスタンク２１から燃料電池スタック１５へ供給される水素圧（水素量）を調整可能な調圧弁である。

燃料ガス排気管２３は、燃料電池スタック１５から排出されるアノードオフガスが流れる流路である。燃料ガス還流管２４は、燃料ガス排気管２３と、燃料ガス供給管２２における可変調圧弁４２よりも下流側の部位と、に接続されている。燃料ガス還流管２４を循環する水素の圧力は、水素ポンプ４４によって調節される。

燃料ガス排気管２３と燃料ガス還流管２４との接続部には、気液分離器４５が設けられており、気液分離器４５において、アノードオフガス中の水とガス（水素および窒素等）とが分離される。本実施形態では、気液分離器４５と、気液分離器４５に接続される燃料ガス排出管２５に設けられたパージ弁４６とを介して、燃料ガス還流管２４を含む流路内から、窒素や水蒸気を含む不純物が除去される。

酸化ガス供給系３０は、エアコンプレッサ３１と、酸化ガス供給管３２と、酸化ガス排出管３３と背圧弁３９と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１０は、酸化ガスとして、空気を用いる。エアコンプレッサ３１は、空気を圧縮し、酸化ガス供給管３２を介して、燃料電池スタック１５のカソード側流路に空気を供給する。燃料電池スタック１５から排出されるカソードオフガスは、酸化ガス排出管３３を介して、燃料電池システム１０の外部に排出される。酸化ガス排出管３３には、背圧弁３９が設けられており、背圧弁３９の開度を調節することによって、燃料電池スタック１５内における酸化ガスの圧力を調節している。

セルモニタ６６は、燃料電池スタック１５の発電状況を検出するためのモニタである。本実施形態のセルモニタ６６は、燃料電池スタック１５を構成する各々の単セル７０の出力電圧と出力電流とを検出する回路である。セルモニタ６６による検出結果は、制御部５０に出力される。

電力回路６０において、燃料電池スタック１５は、配線６２を介して負荷６５に接続されている。配線６２には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、制御部５０の制御信号を受けて、燃料電池スタック１５の出力状態を変更する機能を有している。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、燃料電池スタック１５から負荷６５に向けて電流および電圧を取り出して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１におけるスイッチング制御によって、燃料電池スタック１５から取り出す電流および電圧を制御する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、燃料電池スタック１５が発電した電力を負荷６５に供給する際に、燃料電池スタック１５の出力電圧を、負荷６５で利用可能な電圧に昇圧する。燃料電池システム１０を、車両の駆動用電源として用いる場合には、負荷６５は、少なくとも車両の駆動モータを含むことができる。

制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種信号を入出力する入出力ポート等を備える。制御部５０は、電力回路６０への出力のための燃料電池システム１０の発電制御や、後述する含水量抑制処理に係る制御を行なう。制御部５０は、エアコンプレッサ３１、主止弁４０、可変調圧弁４２、水素ポンプ４４、パージ弁４６、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１等に対して駆動信号を出力する。また、セルモニタ６６を含む各種センサ等から、検出信号を取得する。

図１では、制御部５０を、制御部５０が実行する機能の一部を表わす機能ブロックによって示している。具体的には、制御部５０は、機能ブロックとして、含水量導出部５３、圧損比導出部５４、含水量抑制制御部５５、信号重畳部５６を備える。

信号重畳部５６は、燃料電池スタック１５の出力端子に交流信号を入力するための信号を生成して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１に出力する。本実施形態では、燃料電池スタック１５の出力電流に重畳する交流信号の周波数として、高周波数ｆ_Ｈ（例えば、２００Ｈｚ〜１ｋＨｚ）と、低周波数ｆ_Ｌ（例えば、１Ｈｚ〜５０Ｈｚ）とを用いている。低周波数ｆ_Ｌ及び高周波数ｆ_Ｈは、両者の比較において高低と呼ばれているだけであり、一般的な意味での「低周波」や「高周波」とは関係の無い呼び方である。低周波数ｆ_Ｌと高周波数ｆ_Ｈとは、インピーダンスの測定にかかる時間や、インピーダンス測定の精度等を考慮して、適宜設定すればよい。

含水量導出部５３は、燃料電池スタック１５の出力端子に交流信号が入力されたときに、セルモニタ６６の検出信号を取得して算出される各単セル７０のインピーダンスを用いて、燃料電池スタック１５における含水量を導出する。具体的には、燃料電池スタック１５における単セル当たりの含水量の平均値である平均含水量と、複数の単セル７０のうちで含水量が最も多い最大含水量セルにおける含水量である最大含水量と、を導出する。圧損比導出部５４は、平均含水量の水分を有する単セル７０における圧力損失と、乾燥状態の単セル７０における圧力損失と、の比である第１圧損比を導出すると共に、最大含水量セルにおける圧力損失と、乾燥状態の単セル７０における圧力損失と、の比である第２圧損比を導出する。上記した乾燥状態とは、単セル７０内に、反応ガスの流れを妨げる液水が存在しない状態を指す。含水量抑制制御部５５は、第１圧損比および第２圧損比を用いて、燃料電池スタック１５内の水分量を抑制する制御を実行する。以下では、単セル７０の含水量の算出について説明する。

Ｂ．含水量の算出：
図２は、制御部５０の含水量導出部５３における第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔの算出に係る部分を説明するための機能ブロック図である。含水量導出部５３は、セルモニタ６６が検出する各単セル７０の出力電流および出力電圧の計測値を用いて、インピーダンスを単セル７０毎に算出する。インピーダンスは、低周波数ｆ_Ｌおよび高周波数ｆ_Ｈそれぞれについて算出される。このようにして算出されたインピーダンスを用いて、単セル７０毎に、第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔが算出される。第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔとは、単セル７０内部の水分量に依拠して変化する拡散特性を示すパラメータ（単位：ｓ／ｍ）である。第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔは、後述するように、含水量の算出に用いられる。

含水量導出部５３における第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔの算出のための機能は、図２に示すように、抵抗算出部５３３ａ、限界電流密度算出部５３３ｂ、ガス拡散抵抗算出部５３３ｃ、第２拡散抵抗算出部５３３ｄ、および第１拡散抵抗算出部５３３ｅによって実現される。制御部５０は、これらの機能を、プログラムの実行によって実現する。

抵抗算出部５３３ａは、プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍおよびガス反応抵抗Ｒ_ｃｔを、単セル７０毎に算出する。プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍは、抵抗過電圧を抵抗換算した成分である。抵抗過電圧は、電解質膜の乾燥に伴って増大する。抵抗算出部５３３ａは、高周波数ｆ_Ｈのインピーダンスに基づき、上記プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍを算出する。ガス反応抵抗Ｒ_ｃｔは、活性化過電圧および濃度過電圧を抵抗換算した成分である。抵抗算出部５３３ａは、低周波数ｆ_Ｌのインピーダンスおよびプロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍを用いて、ガス反応抵抗Ｒ_ｃｔを算出する。

図３および図４は、コールコールプロット図である。コールコールプロット図は、周波数とインピーダンスとの関係を複素平面上に示した特性図である。以下では、プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍおよびガス反応抵抗Ｒ_ｃｔの算出方法について、図３および図４を用いて説明する。

図４に示すように、高周波数ｆ_Ｈにおけるインピーダンスの実軸の値がプロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍに相当し、円弧状のインピーダンスの軌跡と実軸とが交わる２つの交点間の値がガス反応抵抗Ｒ_ｃｔに相当する。

プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍの算出は、高周波数ｆ_Ｈにおけるインピーダンスの絶対値Ｒ_１および位相θ_１（図３参照）を、以下の数式Ｆ１に適用することにより行なわれる。

Ｒ_ｍｅｍ＝Ｒ_１ｃｏｓθ_１…（Ｆ１）

また、低周波数ｆ_Ｌ、高周波数ｆ_Ｈそれぞれにおけるインピーダンスの絶対値Ｒ_１、Ｒ_２、および位相θ_２（図３参照）を、以下の数式Ｆ２、Ｆ３に適用して、低周波数ｆ_Ｌにおけるインピーダンス中のガス反応抵抗Ｒ_ｃｔの特性を示す成分を算出する。

φ＝ｔａｎ^−１［（Ｒ_２ｓｉｎθ_２）／｛（Ｒ_２ｃｏｓθ_２）−Ｒ_ｍｅｍ｝］…（Ｆ２）
Ａ＝（Ｒ_２ｓｉｎθ_２）／（Ｒ_２ｓｉｎφ）…（Ｆ３）

前述の数式Ｆ２、Ｆ３によって得られたφ、およびＡを、以下の数式Ｆ４に適用して、ガス反応抵抗Ｒ_ｃｔを算出する。

Ｒ_ｃｔ＝Ａ／ｃｏｓφ…（Ｆ４）

限界電流密度算出部５３３ｂは、限界電流密度Ｉ_ｌｉｍを算出する。具体的には、限界電流密度Ｉ_ｌｉｍを以下の数式Ｆ５〜Ｆ９によって算出する。

Ｉ_ｌｉｍ＝｛ｅ^β／（ｅ^β−１）｝Ｉ…（Ｆ５）
β＝（η_ｃｎＦ）／（２ＲＴ）…（Ｆ６）
η_ｃ＝Ｅｏ−Ｅ−η_ａ−η_Ｒ…（Ｆ７）
η_ａ＝（ＲＴ／２αＦ）ｌｎ（Ｉ／Ｉｏ）…（Ｆ８）
η_Ｒ＝ＩＲ_ｍｅｍ…（Ｆ９）

数式Ｆ５〜Ｆ９における「Ｆ」はファラデー定数、「Ｒ」は気体定数、「Ｔ」は温度、「ｎ」は定数、「Ｉ」は電流密度、「Ｉｏ」は交換電流密度、「Ｅ」は制御電圧、「Ｅｏ」は理論起電圧、「η_ｃ」は濃度過電圧、「η_ａ」は活性化過電圧、「η_Ｒ」は抵抗過電圧、「α」は電荷移動係数（定数）を示している。

ガス拡散抵抗算出部５３３ｃは、ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}は、反応ガスの触媒層への拡散の困難性を示すパラメータ（単位：ｓ／ｍ）である。ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}は、第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔおよび第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙの和に相当する（Ｒ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｒ_ｗｅｔ＋Ｒ_ｄｒｙ）。第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙは、単セル７０が乾燥状態であるときのガス拡散特性を示す。第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔは、単セル７０内において湿度ＲＨが１００％を超えて液水が存在することにより、ガスが流れる際の抵抗の上昇分として表われるガス拡散特性を示す。

ガス拡散抵抗算出部５３３ｃは、予め記憶されている関数に基づいて、ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。この関数は、ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}、並びに限界電流密度Ｉ_ｌｉｍおよびガス反応抵抗Ｒ_ｃｔの相関性をモデル化することによって定められる。具体的には、本実施形態のガス拡散抵抗算出部５３３ｃは、限界電流密度Ｉ_ｌｉｍおよびガス反応抵抗Ｒ_ｃｔを、以下の数式Ｆ１０に適用してガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。

Ｒ_{ｔｏｔａｌ}＝ρ（Ｉ_ｌｉｍ／Ｒ_ｃｔ）^ξ…（Ｆ１０）

数式Ｆ１０中のρおよびξは、単セル７０内の反応ガスのガス濃度を変化させた際の限界電流密度によって、予め計測しておいたガス拡散抵抗の実測値と推定値とをフィッティングして設定する定数である。数式Ｆ１０は、上記した相関性をモデル化した数式の一例である。数式Ｆ１０は、ガス反応抵抗Ｒ_ｃｔおよび限界電流密度Ｉ_ｌｉｍそれぞれを、ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}および反応ガスのガス濃度を変数とする関数として定義し、各関数から反応ガスのガス濃度に関する項を除去することで導出される。

第２拡散抵抗算出部５３３ｄは、第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙを算出する。第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙは、プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍと同様に、燃料電池スタック１５内部の湿度ＲＨの低下に応じて増大する特性を有する。プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍは、以下の数式Ｆ１１に示すように、湿度ＲＨに相関性を有する。第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙは、以下の数式Ｆ１２に示すように、拡散係数Ｄ_ｄｒｙに反比例する。拡散係数Ｄ_ｄｒｙは、湿度ＲＨに相関性を有する。

ＲＨ∝Ｂ（Ｒ_ｍｅｍ）^Ｃ…（Ｆ１１）
Ｒ_ｄｒｙ∝Ｄ（σ／Ｄ_ｄｒｙ）…（Ｆ１２）

数式Ｆ１１中の「Ｂ」および「Ｃ」は定数を示している。また、数式Ｆ１２中の「Ｄ」は定数、「σ」は単セル７０に含まれる拡散層の厚みを示している。

第２拡散抵抗算出部５３３ｄは、予め記憶されたプロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍと湿度ＲＨとの相関関係を規定した制御マップを用いて、抵抗算出部５３３ａが算出したプロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍから、燃料電池スタック１５内の湿度ＲＨを算出する。

また、第２拡散抵抗算出部５３３ｄは、予め記憶された湿度ＲＨと拡散係数Ｄ_ｄｒｙとの相関関係を規定した制御マップ、および数式Ｆ１２を用いて、先に算出した湿度ＲＨから第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙを算出する。

第１拡散抵抗算出部５３３ｅは、ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}から第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙを減算した値を、第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔ（＝Ｒ_{ｔｏｔａｌ}−Ｒ_ｄｒｙ）として算出する。

次に、制御部５０の含水量導出部５３で実行される、第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔを利用した含水量Ｗの算出の動作について説明する。第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔから含水量Ｗを算出する際には、下記の数式Ｆ１３が用いられる。

Ｗ＝１０^−８Ｒ_ｗｅｔ ^４−１０^−７Ｒ_ｗｅｔ ^３−１０^−５Ｒ_ｗｅｔ ^２＋７Ｒ_ｗｅｔ ^−４…（Ｆ１３）

数式Ｆ１３は、単セル７０の第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔが変化した際の単セル７０内部における含水量の実測値に対してフィッティングされた近似曲線を表す式である。このようにして、含水量導出部５３では、各単セル７０における含水量が求められる。なお、第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔを用いて含水量Ｗを求める際には、第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔと含水量Ｗとの関係を予めマップとして記憶しておき、このマップを参照することにより、含水量Ｗを求めてもよい。

Ｃ．含水量抑制制御：
図５は、燃料電池スタック１５の発電時に制御部５０のＣＰＵで繰り返し実行される含水量抑制制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本実施形態の燃料電池システム１０では、上記のようにして導出された含水量Ｗを用いて、燃料電池スタック１５内の含水量抑制に係る制御を行なう。

本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、各測定対象グループのインピーダンスを測定し、含水量を求める（ステップＳ１００）。本実施形態では、各測定対象グループは、単一の単セル７０によって構成される。そのため、ステップＳ１００では、燃料電池スタック１５を構成する各単セル７０について、インピーダンスが測定され、既述したようにして、単セル当たりの含水量Ｗが求められる。

そして、制御部５０のＣＰＵは、単セル当たりの平均含水量Ｗ_ａｖｅと、含水量が最も多い最大含水量セルにおける含水量である最大含水量Ｗ_ｍａｘと、を導出する（ステップＳ１１０）。平均含水量Ｗ_ａｖｅは、ステップＳ１００で求めた各単セル７０の含水量Ｗの平均値として算出される。最大含水量Ｗ_ｍａｘは、ステップＳ１００で求められた各単セル７０の含水量Ｗのうちの最大値として特定される。ステップＳ１００およびステップＳ１１０の動作は、既述した含水量導出部５３（図１参照）において行なわれる。

その後、制御部５０のＣＰＵは、平均含水量Ｗ_ａｖｅと、予め定められた第１基準値Ｗ_１とを比較する（ステップＳ１２０）。第１基準値Ｗ_１は、燃料電池スタック１５の内部が、後述する含水量抑制処理の実行を要する程度に水分量が増加した状態となっているか否かを、平均含水量Ｗ_ａｖｅを用いて判断するための基準値として定められている。

平均含水量Ｗ_ａｖｅが第１基準値Ｗ_１未満であると判断されるときには（ステップＳ１２０：ＮＯ）、制御部５０のＣＰＵは、平均含水量Ｗ_ａｖｅから第１圧損比（以下、第１Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比とも呼ぶ）を導出すると共に、最大含水量Ｗ_ｍａｘから第２圧損比（以下、第２Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比とも呼ぶ）を導出する（ステップＳ１３０）。第１Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比は、既述したように、平均含水量の水分を有する単セル７０における圧力損失と、乾燥状態の単セル７０における圧力損失と、の比である。また、第２Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比は、既述したように、最大含水量セルにおける圧力損失と、乾燥状態の単セル７０における圧力損失と、の比である。Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比は、単セル７０内の反応ガス流路中の液水量に応じて定まる反応ガスの流れ難さの指標となる。そして、Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比は、単セル７０内部の含水量Ｗと相関関係を有しており、本実施形態では、Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比と、単セル７０内部の水分量との関係が、予めマップとして制御部５０のメモリ内に記憶されている。上記マップの基礎となる、単セル７０内部の含水量ＷとＷｅｔ／Ｄｒｙ圧損比との対応関係は、例えば、実験によって予め特定してもよく、シミュレーションにより予め特定してもよい。

図６は、単セル７０内の含水量Ｗと、含水量毎に定まる単セル７０のＷｅｔ／Ｄｒｙ圧損比と、の関係を表わすマップの一例を示す説明図である。Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比は、流路断面積の２乗に反比例することが知られており、単セル７０内の含水量Ｗが多くなって流路断面積が小さくなるほど、Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比が大きくなる。ステップＳ１３０では、上記マップを参照して、平均含水量Ｗ_ａｖｅに対応する第１Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比、および、最大含水量Ｗ_ｍａｘに対応する第２Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比が導出される。なお、ステップＳ１３０は、制御部５０の圧損比導出部５４（図１参照）が実行する。

その後、制御部５０のＣＰＵは、「第１Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比」に対する「第２Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比」の比であるＰ_{ｒａｔｉｏ}（第２圧損比／第１圧損比）を算出する（ステップＳ１４０）。そして、制御部５０のＣＰＵは、Ｐ_{ｒａｔｉｏ}と、予め定められた第２基準値Ｐ_１とを比較する（ステップＳ１５０）。第２基準値Ｐ_１は、最大含水量セルにおいて内部の液水に起因して反応ガスの分配量が減少して、後述する含水量抑制処理の実行を要する状態となっているか否かを、Ｐ_{ｒａｔｉｏ}を用いて判断するための基準値として定められている。Ｐ_{ｒａｔｉｏ}が第２基準値Ｐ_１を超えるときには、含水量抑制処理の実行が必要と判断される。

Ｐ_{ｒａｔｉｏ}が第２基準値Ｐ_１を超えるときには（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、制御部５０のＣＰＵは、現在、含水量抑制処理を実行中であるか否かを判断する（ステップＳ１６０）。含水量抑制処理を行なっていないときには（ステップＳ１６０：ＮＯ）、制御部５０のＣＰＵは、含水量抑制処理を開始して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。含水量抑制処理中であれば（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、制御部５０のＣＰＵは、含水量抑制処理を続行して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。

Ｐ_{ｒａｔｉｏ}が第２基準値Ｐ_１以下のときには（ステップＳ１５０：ＮＯ）、制御部５０のＣＰＵは、現在、含水量抑制処理を実行中であるか否かを判断する（ステップＳ１９０）。含水量抑制処理中であれば（ステップＳ１９０：ＹＥＳ）、制御部５０のＣＰＵは、含水量抑制処理を停止して（ステップＳ２００）、本ルーチンを終了する。含水量抑制処理を行なっていないときには（ステップＳ１９０：ＮＯ）、制御部５０のＣＰＵは、含水量抑制処理を実行しない状態を維持して（ステップＳ２１０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ１５０からステップＳ２１０の動作は、既述した含水量抑制制御部５５（図１参照）において行なわれる。

含水量抑制処理とは、燃料電池スタック１５内の含水量を抑えるための処理である。本実施形態では、エアコンプレッサ３１の駆動量を増加させる排水処理として実行される。燃料電池スタック１５の発電中には、負荷６５の大きさに応じて燃料電池スタック１５で発電すべき電力量に応じた流量の酸化ガスが燃料電池スタック１５に供給されるように、エアコンプレッサ３１の駆動量が設定される。含水量抑制処理の実行時には、上記のように発電量に応じて定まる酸化ガスの流量よりも多くの酸化ガスを燃料電池スタック１５に供給して、燃料電池スタック１５内の酸化ガスの流路から液水を排水させる。含水量抑制処理の実行時におけるエアコンプレッサ３１の駆動量は、例えば、一定の値を予め設定してもよく、発電量に応じた駆動量に対して一定の値を上乗せしてもよい。

ステップＳ１２０において、平均含水量Ｗ_ａｖｅが第１基準値Ｗ_１以上であると判断されると（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、燃料電池スタック１５の内部が、含水量抑制処理の実行を要する程度に水分量が増加した状態となっていると判断されるため、制御部５０のＣＰＵは、ステップＳ１６０に移行する。そして、ステップＳ１６０の判断結果に応じて、既述したようにステップＳ１７０またはステップＳ１８０の動作を行ない、含水量抑制処理を開始または継続して、本ルーチンを終了する。

以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック１５において、含水量が増加している単セル７０が存在する場合には、単セル当たりの平均的な含水量が標準的な値であっても、含水量が増加している単セル７０が存在することを検知して、含水量抑制処理を実行することができる。そのため、含水量が増加している単セル７０の含水量を低減して、液水に起因するガス流通の抑制を抑え、セル電圧を安定化し、含水量が増加している単セル７０における劣化の進行速度を抑えることができる。

本実施形態では、含水量が増大している単セル７０が存在することを判断するために、平均含水量の水分を有する単セルにおける第１Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比と、最大含水量セルにおける第２Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比と、を用いている。単セル内部の水分量に応じた単セルにおける圧力損失と、乾燥状態の単セルにおける圧力損失と、の比である「Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比」は、「単セル内部の水分量」よりも、単セル内部の水分量に応じた反応ガスの分配量の違いを、精度良く示すといえる。そのため、Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比を用いることにより、ガス流通を確保するための含水量抑制処理の要否の判断を、より精度良く行なうことができる。特に、本実施形態では、「第１Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比と第２Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比との比」を用いることにより、ガスの分配量の局所的な低下を、より精度良く判断することが可能となる。

Ｄ．他の実施形態：
（Ｄ１）上記実施形態では、図５に示すように、Ｐ_{ｒａｔｉｏ}（第２圧損比／第１圧損比）が第２基準値Ｐ_１を超えて含水量抑制処理を行なう際には、Ｐ_{ｒａｔｉｏ}が第２基準値Ｐ_１以下になるまで継続して含水量抑制処理を実行しているが、異なる構成としてもよい。例えば、Ｐ_{ｒａｔｉｏ}が第２基準値Ｐ_１を超えるときには、Ｐ_{ｒａｔｉｏ}が第２基準値Ｐ_１以下になるまで、予め定めた一定の時間、含水量抑制処理（排水処理）を行なう動作を、繰り返し実行することとしてもよい。

（Ｄ２）上記実施形態では、含水量抑制処理は、エアコンプレッサ３１の駆動量を増加させる排水処理として実行したが、異なる構成としてもよい。例えば、上記した酸化ガス流路の排水処理に代えて、あるいは酸化ガス流路の排水処理に加えて、燃料ガス流路の排水処理を、含水量抑制処理として実行してもよい。具体的には、水素ポンプ４４の駆動量の増加や、気液分離器４５に接続される燃料ガス排出管２５に設けられたパージ弁４６の開弁動作を、含水量抑制処理として実行してもよい。

あるいは、燃料電池スタック１５における発電量を増加させることによる発熱量の増加、ヒータを用いた燃料電池スタック１５の加熱、冷媒を用いた燃料電池スタック１５の冷却の抑制、などによる、燃料電池スタック１５の温度を上昇させる処理を、含水量抑制処理としてもよい。燃料電池スタック１５の温度を上昇させることにより、燃料電池スタック１５内のガス流路の湿度を低下させて、含水量を抑えることができる場合がある。また、燃料電池スタック１５における発電量を減少させることにより生成水量を削減する処理を、含水量抑制処理としてもよい。あるいは、酸化ガス供給管３２に加湿器を設け、燃料電池スタック１５への供給に先立って酸化ガスを加湿する場合には、加湿器による加湿量を低減する処理を、含水量抑制処理としてもよい。また、背圧弁３９の開度を大きくして酸化ガス流路における背圧を低下させ、酸化ガスによる水分の持ち去り量を増大させる処理を、含水量抑制処理としてもよい。燃料電池システム１０のシステム構成や、発電条件、あるいは燃料電池システム１０の使用環境等に応じて、含水量抑制処理として実行する処理を、適宜変更してもよく、適宜組み合わせてもよい。

（Ｄ３）上記実施形態では、燃料電池スタック１５の出力端子に交流信号を入力してインピーダンスを測定する際の測定対象の単位、すなわち測定対象グループを、単一の単セル７０によって構成したが、異なる構成としてもよい。例えば５セルや１０セルなどの、直列に接続された複数の単セル７０によって、測定対象グループを構成してもよい。燃料電池スタック１５が、複数の測定対象グループに分かれており、各測定対象グループが、少なくとも一つ以上の単セル７０を含んでいればよい。測定対象グループが複数の単セル７０を含む場合には、測定対象グループごとに出力電流および出力電圧を検出して、インピーダンスを測定し、各測定対象グループにおける単セル当たりの含水量を導出すればよい。各対象グループに含まれる単セル７０の数を少なくするほど、最大含水量セルにおける最大含水量Ｗ_ｍａｘの検出精度を向上させることができる。各対象グループに含まれる単セル７０の数を多くするほど、インピーダンス測定に係るシステム構成を簡素化することができる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム、１５…燃料電池スタック、２０…燃料ガス供給系、２１…燃料ガスタンク、２２…燃料ガス供給管、２３…燃料ガス排気管、２４…燃料ガス還流管、２５…燃料ガス排出管、３０…酸化ガス供給系、３１…エアコンプレッサ、３２…酸化ガス供給管、３３…酸化ガス排出管、３９…背圧弁、４０…主止弁、４２…可変調圧弁、４４…水素ポンプ、４５…気液分離器、４６…パージ弁、５０…制御部、５３…含水量導出部、５４…圧損比導出部、５５…含水量抑制制御部、５６…信号重畳部、６０…電力回路、６１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６２…配線、６５…負荷、６６…セルモニタ、７０…単セル、５３３ａ…抵抗算出部、５３３ｂ…限界電流密度算出部、５３３ｃ…ガス拡散抵抗算出部、５３３ｄ…第２拡散抵抗算出部、５３３ｅ…第１拡散抵抗算出部

Claims (1)

1. 複数の単セルが積層された燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
   前記複数の単セルは、複数の測定対象グループに分かれており、
   前記複数の測定対象グループの各々のインピーダンスを測定して、前記燃料電池スタックにおける単セル当たりの含水量の平均値である平均含水量と、前記複数の単セルのうちで含水量が最も多い最大含水量セルにおける含水量である最大含水量と、を導出する含水量導出部と、
   前記平均含水量の水分を有する前記単セルにおける圧力損失と、乾燥状態の前記単セルにおける圧力損失と、の比である第１圧損比を導出すると共に、前記最大含水量セルにおける圧力損失と、乾燥状態の前記単セルにおける圧力損失と、の比である第２圧損比を導出する圧損比導出部と、
   前記第１圧損比に対する前記第２圧損比の比が、予め定めた基準値以上のときに、前記燃料電池スタック内の水分量を抑制する含水量抑制制御部と、
   を備える燃料電池システム。

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