JP2023154983A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックに水素欠乏が生じたことを判定すること。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、制御装置と、を備える。燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを備える。制御装置は、燃料電池スタックに交流電圧を印加することで、燃料電池スタックのインピーダンスを測定する。制御装置は、燃料電池スタックのインピーダンスの実数成分と燃料電池スタックのインピーダンスの虚数成分から電荷移動抵抗を算出する。制御装置は、電荷移動抵抗と燃料電池スタックの水素欠乏との相関から電荷移動抵抗が閾値以上となった場合、燃料電池スタックに水素欠乏が生じていると判定する。【選択図】図３

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

特許文献１に開示の燃料電池システムは、燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックは、水素と酸素との化学反応によって発電を行う。

特開２０２２－２２８２９号公報

燃料電池スタックに水素欠乏が生じると、燃料電池スタックの劣化の要因となる場合がある。このため、燃料電池スタックに水素欠乏が生じたことを判定することが求められる。

上記課題を解決する燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定する測定部と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池スタックに交流電圧を印加することで前記測定部によって測定される前記インピーダンスを取得し、前記測定部により測定された前記インピーダンスの実数成分と前記測定部により測定された前記インピーダンスの虚数成分から電荷移動抵抗を算出し、前記電荷移動抵抗と前記燃料電池スタックの水素欠乏との相関から、前記電荷移動抵抗が閾値以上となった場合、前記水素欠乏が生じていると判定する。

電荷移動抵抗と燃料電池スタックの水素欠乏には相関が存在する。燃料電池スタックに水素欠乏が生じると、電荷移動抵抗が大きくなる。電荷移動抵抗に閾値を設定することによって、制御装置は、燃料電池スタックに水素欠乏が生じたことを判定できる。

上記燃料電池システムについて、前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックに水素を循環させる循環路と、前記循環路から排気を行う排気排水弁と、を備え、前記制御装置は、前記電荷移動抵抗が閾値以上となった場合、前記循環路を循環する水素の量を増加させる制御、及び前記排気排水弁の開弁間隔を短くする制御の少なくとも一方を実行してもよい。

上記燃料電池システムについて、前記制御装置は、前記電荷移動抵抗が閾値以上となった場合であり、かつ、前記複数の燃料電池セルのうち最も電圧が低い燃料電池セルの電圧が負電圧ではない場合、前記循環路を循環する水素の量を増加させる制御、及び前記排気排水弁の開弁間隔を短くする制御の少なくとも一方を実行してもよい。

上記燃料電池システムについて、前記燃料電池スタックの出力電力を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータを備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記燃料電池スタックの出力電圧に交流電圧を重畳させ、前記測定部は、前記燃料電池スタックの出力電流、及び前記燃料電池スタックの出力電圧から前記インピーダンスを測定してもよい。

本発明によれば、燃料電池スタックに水素欠乏が生じたことを判定できる。

燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池セルの概略構成図である。 水素欠乏判定制御を示すフローチャートである。 燃料電池スタックのナイキストプロットである。 電荷移動抵抗の算出方法を説明するための図である。 電荷移動抵抗とアノードストイキ比との関係を示す図である。

燃料電池システムの一実施形態について説明する。
図１に示すように、産業車両１０は、車両負荷１１と、燃料電池システム２０と、を備える。車両負荷１１は、電力によって駆動する装置である。車両負荷１１は、例えば、電力によって駆動する電動機である。この電動機の駆動によって産業車両１０は走行する。

＜燃料電池システム＞
燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２１と、カソード系４０、アノード系６０と、希釈器７１と、制御装置１１０と、を備える。

燃料電池スタック２１は、複数の燃料電池セル２２を備える。燃料電池セル２２は、高分子膜型燃料電池セルである。燃料電池セル２２は、空気中の酸素と水素との化学反応によって発電を行う。

図２に示すように、燃料電池セル２２は、イオン透過性の電解質膜２３と、アノード側触媒層２４と、アノード側マイクロポーラス層２５と、アノード側拡散層２６と、カソード側触媒層２７と、カソード側マイクロポーラス層２８と、カソード側拡散層２９と、を備える。アノード側触媒層２４とカソード側触媒層２７とは、電解質膜２３を挟んでいる。アノード側マイクロポーラス層２５とカソード側マイクロポーラス層２８とは、電解質膜２３及び各触媒層２４，２７を挟んでいる。アノード側拡散層２６と、カソード側拡散層２９とは、電解質膜２３、各触媒層２４，２７及び各マイクロポーラス層２５，２８を挟んでいる。

各触媒層２４，２７は、触媒によって水素及び酸素の反応を促進する。各触媒層２４，２７は、触媒、触媒を担持する担体及びこれらを被覆するアイオノマを含む。触媒としては、例えば白金、ルテニウム等を用いることができる。担体としては、例えば、カーボンを用いることができる。アイオノマとしては、イオン伝導性の高分子電解質を使用することができる。アイオノマとしては、例えば、電解質膜２３と同様の材料を用いればよい。

各マイクロポーラス層２５，２８は、発電時に化学反応により生成された水を各触媒層２４，２７に滞留させないように、外部への排出を促す。各マイクロポーラス層２５，２８としては、例えば、撥水性樹脂とカーボンなどの導電性材料などを含んで構成される。

各拡散層２６，２９は、電子、水素、及び酸素の経路となる。各拡散層２６，２９は、ガス透過性及び電子伝導性を有する材料によって構成されている。各拡散層２６，２９は、例えば、カーボンによって構成されている。

図１に示すように、燃料電池スタック２１は、カソード流路３０と、アノード流路３３と、を備える。カソード流路３０には、空気が流れる。アノード流路３３には、水素が流れる。カソード流路３０は、流入口３１と、流出口３２と、を備える。空気は、流入口３１からカソード流路３０に流入し、流出口３２から流出する。アノード流路３３は、流入口３４と、流出口３５と、を備える。水素は、流入口３４からアノード流路３３に流入し、流出口３５から流出する。

カソード系４０は、吸入口４１と、電動圧縮機４２と、インバータ４４と、インタークーラ４５と、カソード供給路４６と、カソード排出路４９と、第１バルブ５１と、第２バルブ５２と、を備える。

吸入口４１は、燃料電池システム２０に空気を吸入する。吸入口４１は大気に開放されていてもよい。吸入口４１は、ガスボンベに接続されていてもよい。
電動圧縮機４２は、電動モータ４３を備える。電動圧縮機４２は、電動モータ４３によって駆動する。電動圧縮機４２は、燃料電池スタック２１に空気を供給する。詳細には、電動圧縮機４２は、吸入口４１から供給される空気を圧縮して燃料電池スタック２１に供給する。電動圧縮機４２から燃料電池スタック２１に供給された空気は、カソード流路３０を流れる。

インバータ４４は、電動モータ４３に接続されている。インバータ４４は、直流電力を交流電力に変換して電動モータ４３に供給する。これにより、電動モータ４３が駆動する。

インタークーラ４５には、電動圧縮機４２から吐出された空気が供給される。インタークーラ４５は、電動圧縮機４２から供給された空気を冷却する。燃料電池スタック２１に供給される空気は、インタークーラ４５によって冷却された後の空気である。

カソード供給路４６は、電動圧縮機４２とカソード流路３０とを接続している。詳細にいえば、カソード供給路４６は、電動圧縮機４２とカソード流路３０の流入口３１とを接続している。カソード供給路４６は、第１供給路４７と、第２供給路４８と、を含む。第１供給路４７は、電動圧縮機４２とインタークーラ４５とを接続している。第２供給路４８は、インタークーラ４５とカソード流路３０とを接続している。

カソード排出路４９は、カソード流路３０と希釈器７１とを接続している。詳細にいえば、カソード排出路４９は、カソード流路３０の流出口３２と希釈器７１とを接続している。カソード排出路４９は、カソード排ガスが流れる通路である。カソード排ガスは、燃料電池スタック２１から排出される空気であって、生成水を含んだ空気である。生成水とは、燃料電池スタック２１での発電によって生成される水である。

第１バルブ５１は、カソード供給路４６に設けられている。本実施形態では、第２供給路４８、即ち、インタークーラ４５とカソード流路３０との間に第１バルブ５１が設けられている。第１バルブ５１は、第１供給路４７、即ち、インタークーラ４５と電動圧縮機４２との間に設けられていてもよい。

第２バルブ５２は、カソード排出路４９に設けられている。第２バルブ５２は、開度が調整可能なバルブである。電動圧縮機４２の圧縮率は、第２バルブ５２の開度を調整することで制御可能である。

アノード系６０は、タンク６１と、減圧弁６２と、水素供給部６３と、供給路６４と、循環路６５と、気液分離器６６と、循環ポンプ６７と、インバータ６９と、排気排水弁７０と、を備える。

タンク６１は、水素を貯留している。
減圧弁６２には、タンク６１から水素が供給される。減圧弁６２は、タンク６１から供給された水素を減圧する。減圧された水素は、水素供給部６３に供給される。

水素供給部６３は、燃料電池スタック２１に供給される水素の量を調整するための部材である。燃料電池スタック２１に供給される水素の量は、水素供給部６３を制御することで調整可能である。水素供給部６３としては、例えば、インジェクタなどの電磁弁を用いることができる。

供給路６４は、水素供給部６３と、アノード流路３３と、を接続している。詳細にいえば、供給路６４は、水素供給部６３と、アノード流路３３の流入口３４と、を接続している。水素供給部６３から噴射された水素は、供給路６４を通じて燃料電池スタック２１に供給される。

循環路６５は、アノード流路３３と、供給路６４と、を接続している。詳細にいえば、循環路６５は、アノード流路３３の流出口３５と、供給路６４と、を接続している。循環路６５には、アノード排ガスが流れる。アノード排ガスは、未反応の水素と、生成水と、を含む。循環路６５は、アノード排ガスに含まれる未反応の水素を供給路６４に戻すための通路である。

気液分離器６６は、循環路６５に設けられている。気液分離器６６は、アノード排ガスを水素と、生成水と、に分離する。アノード排ガスから分離された生成水は、気液分離器６６に貯留される。

循環ポンプ６７は、循環路６５に設けられている。循環ポンプ６７は、電動モータ６８を備える。循環ポンプ６７は、電動モータ６８によって駆動する。循環ポンプ６７は、気液分離器６６によってアノード排ガスから分離された水素を供給路６４に供給する。これにより、水素が循環する。

インバータ６９は、電動モータ６８に接続されている。インバータ６９は、直流電力を交流電力に変換して電動モータ６８に供給する。これにより、電動モータ６８が駆動する。

排気排水弁７０は、気液分離器６６に接続されている。排気排水弁７０は、開状態と閉状態に切り替えられる。排気排水弁７０が開状態になると、気液分離器６６から生成水が排出される。また、循環路６５から排気が行われる。排気排水弁７０が閉状態になると、気液分離器６６から生成水を排出できなくなる。即ち、排気排水弁７０が閉状態の場合、気液分離器６６に生成水が貯留されていく。排気排水弁７０は、所定の開弁間隔毎に閉状態から開状態に切り替えられる。

気液分離器６６は、希釈器７１に接続されている。排気排水弁７０が開状態になると、気液分離器６６に貯留された生成水、及びアノード排ガスが希釈器７１に供給される。希釈器７１は、カソード排ガスでアノード排ガスを希釈して大気中に排出する。

冷却系８０は、冷媒循環路８１と、熱交換器８２と、ファン８３と、冷媒ポンプ８４と、インバータ８６と、温度測定部８７と、を備える。
冷媒循環路８１は、燃料電池スタック２１と熱交換器８２とを接続している。熱交換器８２は、例えば、ラジエータである。冷媒循環路８１には、冷媒が循環する。冷媒としては、例えば、水、不凍液、又は空気が用いられる。

ファン８３は、熱交換器８２に向けて送風を行う。ファン８３からの送風によって熱交換器８２の内部の冷媒は冷却される。
冷媒ポンプ８４は、冷媒循環路８１に冷媒を循環させる。冷媒ポンプ８４は、電動モータ８５を備える。冷媒ポンプ８４は、電動モータ８５によって駆動する。熱交換器８２で冷却された冷媒が冷媒循環路８１によって燃料電池スタック２１に供給されることで、燃料電池スタック２１は冷却される。

インバータ８６は、電動モータ８５に接続されている。インバータ８６は、直流電力を交流電力に変換して電動モータ８５に供給する。これにより、電動モータ８５が駆動する。

温度測定部８７は、冷媒の温度を測定する。温度測定部８７は、燃料電池スタック２１と熱交換を行う前の冷媒の温度を測定するように設けられてもよいし、燃料電池スタック２１と熱交換を行った後の冷媒の温度を測定するように設けられてもよい。

電気系９０は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１と、電流センサ９３と、電圧センサ９４と、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５と、第１蓄電装置９６と、充電状態検出部９８と、第２蓄電装置９９と、を備える。

第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、燃料電池スタック２１に接続されている。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、燃料電池スタック２１の出力電力を変圧して出力するＤＣ／ＤＣコンバータである。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、例えば、燃料電池スタック２１の出力電力を４８［Ｖ］に変圧して出力する。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１からの出力電力は、車両負荷１１に供給される。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、スイッチング素子９２を備える。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、スイッチング素子９２のスイッチング制御によって変圧を行う。

電流センサ９３は、燃料電池スタック２１の出力電流を測定する。
電圧センサ９４は、燃料電池スタック２１の出力電圧を測定する。電圧センサ９４としては、複数の燃料電池セル２２の電圧を個別に測定できるものが用いられる。例えば、電圧センサ９４として、複数のポートを備え、複数のポートのそれぞれに燃料電池セル２２の正極及び負極が接続されるものを用いる。これにより、電圧センサ９４は、燃料電池セル２２の電圧を個別に測定することができる。

第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１に接続されている。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１の出力電力を変圧して出力する。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５は、例えば、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１の出力電力を１２［Ｖ］に変圧して出力する。

第１蓄電装置９６は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１に接続されている。第１蓄電装置９６は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１に対して４８Ｖ系補機９７と並列に接続されている。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１からの出力電力が車両負荷１１及び４８Ｖ系補機９７の消費電力を上回っている場合、第１蓄電装置９６は余剰の電力によって充電される。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１からの出力電力が車両負荷１１及び４８Ｖ系補機９７の消費電力を下回っている場合、第１蓄電装置９６は放電を行う。第１蓄電装置９６としては、充放電可能であれば、どのようなものを用いてもよい。第１蓄電装置９６としては、例えば、二次電池及びキャパシタを挙げることができる。４８Ｖ系補機９７は、電動圧縮機４２、循環ポンプ６７、及び冷媒ポンプ８４を含む。

充電状態検出部９８は、第１蓄電装置９６の充電状態を検出する。充電状態検出部９８は、例えば、バッテリマネジメントシステムである。充電状態検出部９８は、センサと、センサの検出結果から第１蓄電装置９６の状態を導出する導出部と、を含む。センサは、例えば、電流センサ及び電圧センサである。導出部は、センサの検出結果から第１蓄電装置９６の充電率を導出可能である。充電率の導出手法としては、例えば、第１蓄電装置９６の開回路電圧を用いる手法、電流積算法、あるいは、これらの組み合わせを挙げることができる。

第２蓄電装置９９は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５に接続されている。第２蓄電装置９９は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５に対して１２Ｖ系補機１００と並列に接続されている。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５からの出力電力が１２Ｖ系補機１００の消費電力を上回っている場合、第２蓄電装置９９は余剰の電力によって充電される。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５からの出力電力が１２Ｖ系補機１００の消費電力を下回っている場合、第２蓄電装置９９は放電を行う。第２蓄電装置９９としては、充放電可能であれば、どのようなものを用いてもよい。第２蓄電装置９９としては、例えば、二次電池及びキャパシタを挙げることができる。１２Ｖ系補機１００は、ファン８３、第１バルブ５１、及び第２バルブ５２を含む。

制御装置１１０は、プロセッサ１１１と、記憶部１１２と、を備える。記憶部１１２は、RAM（Random Access Memory）、及びROM（Read Only Memory）を含む。記憶部１１２は、処理をプロセッサ１１１に実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。記憶部１１２、即ち、コンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。制御装置１１０は、ASICやFPGA等のハードウェア回路によって構成されていてもよい。処理回路である制御装置１１０は、コンピュータプログラムに従って動作する１つ以上のプロセッサ、ASICやFPGA等の１つ以上のハードウェア回路、或いは、それらの組み合わせを含み得る。

制御装置１１０は、燃料電池システム２０の制御を行う。
制御装置１１０は、燃料電池スタック２１の発電についての制御を行う。制御装置１１０は、第１蓄電装置９６の充電率に応じて燃料電池スタック２１の発電状態と発電停止状態とを切り替える。発電状態は、低発電状態、中発電状態、及び高発電状態を含む。低発電状態での発電電力は、中発電状態での発電電力よりも小さい。中発電状態での発電電力は、高発電状態での発電電力よりも小さい。制御装置１１０は、発電状態を遷移させることで、第１蓄電装置９６の充電率に応じて段階的に発電電力を変化させることができる。制御装置１１０は、例えば、第１蓄電装置９６の充電率が高いほど、発電電力が小さくなるように燃料電池スタック２１の発電を制御する。

＜水素欠乏判定制御＞
制御装置１１０は、水素欠乏判定制御を行う。水素欠乏判定制御は、燃料電池スタック２１に水素欠乏が生じているか否かを判定する制御である。

図３に示すように、ステップＳ１において、制御装置１１０は、燃料電池スタック２１のインピーダンスの測定を許可するか否かを判定する。制御装置１１０は、燃料電池スタック２１が発電状態の場合、燃料電池スタック２１のインピーダンスの測定を許可する。ステップＳ１の判定結果が肯定の場合、制御装置１１０は、ステップＳ２の処理を行う。ステップＳ２の判定結果が否定の場合、制御装置１１０は、水素欠乏判定制御を終了する。

ステップＳ２において、制御装置１１０は、燃料電池スタック２１のインピーダンスを測定する。これにより、制御装置１１０は、燃料電池スタック２１のインピーダンスを取得する。燃料電池スタック２１のインピーダンスは、インピーダンス分光法によって測定することができる。制御装置１１０は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１を制御することによって燃料電池スタック２１に交流電圧を印加する。これにより、燃料電池スタック２１の直流電圧に交流電圧が重畳される。制御装置１１０は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１のスイッチング素子９２を制御することによって燃料電池スタック２１の直流電圧に交流電圧を重畳させる。制御装置１１０は、電流センサ９３及び電圧センサ９４から検出結果を取得する。制御装置１１０は、燃料電池スタック２１の出力電流及び燃料電池スタックの出力電圧から交流成分を抽出する。制御装置１１０は、交流インピーダンス法を用いて燃料電池スタック２１のインピーダンスを測定する。制御装置１１０が燃料電池スタック２１に印加する交流電圧の周波数は、電荷移動抵抗を測定できるように設定されている。制御装置１１０は、測定部である。以下、詳細に説明を行う。

図４は、燃料電池スタック２１のインピーダンス特性を示すナイキストプロットである。ナイキストプロットは、インピーダンス分光法を用いて燃料電池スタック２１のインピーダンス特性を複素平面上に表示したものである。図４の横軸は、インピーダンスの実数成分を表す。図４の縦軸はインピーダンスの虚数成分を表す。図４の縦軸は、正負を反転させており、縦軸方向に大きくなるほど虚数成分は小さくなる。縦軸の「大」「小」は、負の方向への「大」「小」を示しているともいえる。

ナイキストプロットでは、２つの円弧Ｃ１，Ｃ２を得ることができる。２つの円弧Ｃ１，Ｃ２のうち低周波側の円弧Ｃ１の直径は物質移動抵抗を表す。物質移動抵抗は、拡散層２６，２９での酸素移動に由来する抵抗値である。２つの円弧Ｃ１，Ｃ２のうち高周波側の円弧Ｃ２の直径は電荷移動抵抗を示す。電荷移動抵抗は、触媒層２４，２７での電子移動に由来する抵抗値である。円弧Ｃ２よりも高周波側は電解質膜抵抗を示す。電解質膜抵抗は、電解質膜２３でのイオン移動に由来する抵抗値である。円弧Ｃ２を横軸によって二分された半円とみなし、円弧Ｃ２と横軸とが交わる箇所のインピーダンス、及び円弧Ｃ２上のインピーダンスを求めると、円弧Ｃ２の直径を算出できる。発明者は、インピーダンス分光法を用いて燃料電池スタック２１のインピーダンス特性を求めたところ、２５０［Ｈｚ］を境にして燃料電池スタック２１のインピーダンスが円弧Ｃ２から外れることを見出した。そして、２５０[Ｈｚ]以上の交流電圧を印加することによって得られたインピーダンスを、円弧Ｃ２と横軸とが交わる箇所のインピーダンスとみなす。また、１０[Ｈｚ]～２５[Ｈｚ]の周波数は、電荷移動抵抗を示す円弧Ｃ２上のインピーダンスとみなすことができる。このため、制御装置１１０は、２５０[Ｈｚ]以上の周波数のうち一点のインピーダンスと、１０[Ｈｚ]～２５[Ｈｚ]のうち一点のインピーダンスとを測定する。本実施形態において、制御装置１１０は、２５０［Ｈｚ］の交流電圧を燃料電池スタック２１に印加することによってインピーダンスを測定する。制御装置１１０は、２５［Ｈｚ］の交流電圧を燃料電池スタック２１に印加することによってインピーダンスを測定する。

図３に示すように、次に、ステップＳ３において、制御装置１１０は、最低セル電圧が負電圧ではなく、かつ、電荷移動抵抗が閾値Ｉｍｐ１以上か否かを判定する。最低セル電圧は、複数の燃料電池セル２２のうち最も電圧が低い燃料電池セル２２の電圧である。制御装置１１０は、電圧センサ９４の検出結果から最低セル電圧が負電圧ではないか否かを判定する。

制御装置１１０は、ステップＳ２で測定されたインピーダンスから電荷移動抵抗を算出する。そして、制御装置１１０は、電荷移動抵抗が閾値Ｉｍｐ１以上か否かを判定する。電荷移動抵抗は、インピーダンスの実数成分と虚数成分を用いて算出することができる。

図５に示すように、２５０[Ｈｚ]のインピーダンスの実部をＲ_Ｈとし、虚部をＣ_Ｈとする。２５[Ｈｚ]のインピーダンスの実部をＲ_Ｌとし、虚部をＣ_Ｌとする。前述したように、２５０［Ｈｚ］のインピーダンスを、円弧Ｃ２と横軸との交点のインピーダンスとみなす。この場合、円弧Ｃ２の直径Ｒ_ａｃｔは以下の式で求めることができる。

制御装置１１０は、円弧Ｃ２の直径Ｒ_ａｃｔを電荷移動抵抗とみなし、電荷移動抵抗が閾値Ｉｍｐ１以上か否かを判定する。ステップＳ３の判定結果が否定の場合、制御装置１１０は、ステップＳ１の処理に戻る。ステップＳ３の判定結果が肯定の場合、制御装置１１０は、ステップＳ４の処理を行う。

図３に示すように、ステップＳ４において、制御装置１１０は、欠乏解消処理を開始する。ステップＳ３の判定結果が肯定の場合、制御装置１１０は、燃料電池スタック２１に水素欠乏が生じていると判定する。そして、ステップＳ４で燃料電池スタック２１の水素欠乏を解消するための欠乏解消処理を開始するといえる。

欠乏解消処理は、循環路６５を循環する水素の量を増加させる制御、及び排気排水弁７０の開弁間隔を短くする制御の少なくとも一方を実行する処理である。本実施形態において、欠乏解消処理では、循環路６５を循環する水素の量を増加させる制御、及び排気排水弁７０の開弁間隔を短くする制御の両方が実行される。本実施形態において使用される「少なくとも一方」という表現は、所望の選択肢の「１つ以上」を意味する。一例として、本明細書において使用される「少なくとも一方」という表現は、選択肢の数が２つであれば「１つの選択肢のみ」または「２つの選択肢の双方」を意味する。

循環路６５を循環する水素の量の増加は、循環ポンプ６７の回転数を増加させることで行われる。これにより、燃料電池スタック２１に供給される水素の量が増加することで水素欠乏が解消されていく。空気に含まれる窒素は、電解質膜２３を通じて循環路６５に移動する。排気排水弁７０の開弁間隔を短くすることによって循環路６５の窒素濃度が上昇することを抑制できる。これにより、燃料電池スタック２１の水素欠乏が解消されていく。

次に、ステップＳ５において、制御装置１１０は、欠乏解消処理を開始してからの経過時間が第１所定時間Ｔ１を上回ったか否かを判定する。第１所定時間Ｔ１は、欠乏解消処理によって燃料電池スタック２１の水素欠乏を解消できると想定される時間に設定されている。ステップＳ５の判定結果が否定の場合、制御装置１１０は、ステップＳ４の処理に戻る。即ち、制御装置１１０は、第１所定時間Ｔ１が経過するまで、欠乏解消処理を実行する。ステップＳ５の判定結果が肯定の場合、制御装置１１０は、ステップＳ６の処理を行う。

ステップＳ６において、制御装置１１０は、欠乏解消処理を開始してからの経過時間が第２所定時間Ｔ２を上回ったか否かを判定する。第２所定時間Ｔ２は、第１所定時間Ｔ１よりも長い時間である。第１所定時間Ｔ１の間、排気排水弁７０の開弁間隔を短くすると、燃料電池システム２０の外部に排出される水素の濃度が過剰に高くなるおそれがある。このため、第１所定時間Ｔ１が経過した後には、第２所定時間Ｔ２が経過するまでは欠乏解消処理が行われないようにしている。制御装置１１０は、ステップＳ６の判定結果が肯定になるまで、ステップＳ６の処理を繰り返し行う。ステップＳ６の処理が肯定になると、制御装置１１０は、水素欠乏判定制御を終了する。

［本実施形態の作用］
図６は、縦軸の１つを電荷移動抵抗、縦軸の１つをアノードストイキ比、横軸を時間とし、時間経過に伴いアノードストイキ比を低くした場合の電荷移動抵抗を示す。図６の線Ｌ１は、アノードストイキ比１．０を示す。アノードストイキ比が高いほど、燃料電池スタック２１に供給されている水素の量は多い。図６には、アノードストイキ比を点Ｐ１でプロットし、電荷移動抵抗を点Ｐ２でプロットしている。図６に示すように、アノードストイキ比を低くしていくと、電荷移動抵抗が大きくなる。特に、アノードストイキ比が１．０の近傍値まで低くなると、電荷移動抵抗が急激に大きくなることがわかる。図６には、燃料電池スタック２１の出力電流を１００［Ａ］、１５０［Ａ］、２００［Ａ］にした場合の電荷移動抵抗とアノードストイキ比との関係を示すが、燃料電池スタック２１の出力電流に関わらず、上記した相関が存在する。図６から、電荷移動抵抗と燃料電池スタック２１の水素欠乏には相関が存在することがわかる。水素欠乏が生じているときのアノードストイキ比に対応する電荷移動抵抗を閾値Ｉｍｐ１として設定することによって、制御装置１１０は、電荷移動抵抗から水素欠乏の判定を行うことができる。

［本実施形態の効果］
（１）電荷移動抵抗と燃料電池スタック２１の水素欠乏には相関が存在する。燃料電池スタック２１に水素欠乏が生じると、電荷移動抵抗が大きくなる。電荷移動抵抗に閾値Ｉｍｐ１を設定することによって、制御装置１１０は、燃料電池スタック２１に水素欠乏が生じたことを判定できる。

（２）制御装置１１０は、燃料電池スタック２１に水素欠乏が生じている場合、循環路６５を循環する水素の量を増加させる制御、及び排気排水弁７０の開弁間隔を短くする制御の少なくとも一方を実行する。これにより、燃料電池スタック２１の水素欠乏を解消できる。

（３）制御装置１１０は、電荷移動抵抗が閾値Ｉｍｐ１以上となった場合であり、かつ、最低セル電圧が負電圧ではない場合、欠乏解消処理を行う。電圧が負電圧の燃料電池セル２２が存在する場合には、燃料電池スタック２１の出力電流の制限が行われることによって水素欠乏の解消が行われる。電圧が負電圧の燃料電池セル２２が存在する場合には、欠乏解消処理を実行しないことで、燃料電池スタック２１の出力電流の制限を優先して行うことができる。

（４）第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１が燃料電池スタック２１に交流電圧を印加することによってインピーダンスを測定している。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１を利用して燃料電池スタック２１のインピーダンスを測定できるため、インピーダンスを測定するための専用の装置を設ける場合に比べて部品点数を削減できる。

［変更例］
実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

○制御装置１１０は、電荷移動抵抗が閾値Ｉｍｐ１以上の場合に水素欠乏が生じたと判定できればよく、水素欠乏が生じたと判定した後の制御は任意である。例えば、制御装置１１０は、燃料電池スタック２１の出力電流を制限してもよいし、産業車両１０の搭乗者に通知を行ってもよい。

○制御装置１１０は、電荷移動抵抗が閾値Ｉｍｐ１以上の場合、最低セル電圧が負電圧か否かに関わらず欠乏解消処理を実行してもよい。
○燃料電池システム２０は、乗用車、船舶、鉄道などに搭載されていてもよい。

○燃料電池システム２０は、定置式の発電装置として用いられてもよい。
○測定部は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１を制御する制御部であってもよい。
○燃料電池システム２０は、インピーダンスを測定するための専用の装置を備えていてもよい。

２０…燃料電池システム、２１…燃料電池スタック、２２…燃料電池セル、６５…循環路、７０…排気排水弁、９１…ＤＣ／ＤＣコンバータである第１ＤＣ／ＤＣコンバータ、１１０…測定部である制御装置。

Claims (4)

1. 複数の燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定する測定部と、
   制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池スタックに交流電圧を印加することで前記測定部によって測定される前記インピーダンスを取得し、
   前記測定部により測定された前記インピーダンスの実数成分と前記測定部により測定された前記インピーダンスの虚数成分から電荷移動抵抗を算出し、
   前記電荷移動抵抗と前記燃料電池スタックの水素欠乏との相関から、前記電荷移動抵抗が閾値以上となった場合、前記水素欠乏が生じていると判定する、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池システムは、
   前記燃料電池スタックに水素を循環させる循環路と、
   前記循環路から排気を行う排気排水弁と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記電荷移動抵抗が閾値以上となった場合、前記循環路を循環する水素の量を増加させる制御、及び前記排気排水弁の開弁間隔を短くする制御の少なくとも一方を実行する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、
   前記電荷移動抵抗が閾値以上となった場合であり、かつ、前記複数の燃料電池セルのうち最も電圧が低い燃料電池セルの電圧が負電圧ではない場合、前記循環路を循環する水素の量を増加させる制御、及び前記排気排水弁の開弁間隔を短くする制御の少なくとも一方を実行する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池スタックの出力電力を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータを備え、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記燃料電池スタックの出力電圧に交流電圧を重畳させ、
   前記測定部は、前記燃料電池スタックの出力電流、及び前記燃料電池スタックの出力電圧から前記インピーダンスを測定する、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

Images