JP4655486B2 - 固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池セルからなる固体高分子型燃料電池に関し、特に、燃料電池内部の湿潤状態を判定する湿潤状態判定装置に関する。

固体高分子型燃料電池で用いられる電解質膜（固体高分子電解質膜）は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。このため、燃料電池内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまうと、導電率の低下に伴い固体高分子型燃料電池の電池性能は大きく低下してしまう。逆に、燃料電池内に水分が過剰に存在する場合には、アノード極やカソード極へのガスの流通が電解質膜近傍に存在する水によって妨げられるため、やはり固体高分子型燃料電池の電池性能は低下してしまう。したがって、固体高分子型燃料電池にとっては、高い電池性能を維持する上で、燃料電池内の湿潤状態を適度な湿潤状態に保つことが重要になる。

燃料電池内の湿潤状態を適度に保つ上では、まず、現在の湿潤状態を正確に判定することが求められる。特に、複数の電池セルが積層されて構成された燃料電池では、複数の電池セルは直列に接続されるので、１つの電池セルの電池性能の低下が燃料電池全体の電池性能を低下させてしまう。そのため、電池セルの単位で湿潤状態を正確に判定する必要がある。燃料電池の湿潤状態を判定する技術としては、例えば、特許文献１に記載された技術が知られている。この従来技術では、酸化ガスの燃料電池への供給量を増加させる前後において燃料電池を構成する複数の電池セル（単電池）についてそれぞれ電圧を測定し、その各電圧の分散を計算している。そして、酸化ガス供給量の増加前における各電圧の分散と増加後における各電圧の分散とを比較し、前者が後者以下のときには適正な湿潤状態にあると判定し、後者より大きいときには湿潤過剰と判定している。この従来技術では、酸化ガス供給量の増加により燃料電池内の水分の蒸発が促進されることで湿潤過剰の状態にある電池セルが適正湿潤状態に近づき、各電池セルの電圧のバラツキが小さくなることに基づいて湿潤状態が判定されている。
特開２０００−２４３４１８号公報 特開平９−２４５８２６号公報 特開２０００−２０８１６１号公報

しかしながら、通常、燃料電池は数百枚の電池セルが積層されて構成されるため、これら数百枚の電池セルの各電圧の分散を算出するためには複雑な演算処理が必要となり、演算手段としてのＣＰＵの負荷は増大する。燃料電池システムでは、ＣＰＵによって燃料電池の運転制御に関係する様々な演算処理が行われるため、ＣＰＵの負荷を軽減すべく各演算処理は可能な限り簡単なものにしたい。燃料電池の湿潤状態の判定に関する演算処理についても同様であり、ＣＰＵの負荷を考慮するならば、より簡単な演算処理で済むような手段によって湿潤状態を判定できるようにしたい。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池内の湿潤状態を簡単な演算処理によって判定できるようにした固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置であって、
複数の電池セルからなる固体高分子型の燃料電池と、
前記複数電池セルのそれぞれの電圧を計測する計測手段と、
計測された前記複数電池セルの各電圧の中から最小電圧を選択する最小電圧選択手段と、
前記燃料電池内の湿潤状態、或いは前記燃料電池の負荷に影響する因子が変化したときの前記最小電圧に基づいて前記燃料電池内の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池内の水分量が減少する方向に前記因子が変化したとき、前記最小電圧が予め定められた第１判定値を超えたら、前記因子の変化前における前記燃料電池内の湿潤状態を湿潤過剰と判定することを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、前記因子の変化は一時的な変化であり、
前記湿潤状態判定手段は、前記因子の変化時、或いは変化終了後に、前記最小電圧が予め定められた前記第１判定値より小さい第２所定値を下回ったら、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定結果を有効とすることを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、前記因子を強制的に変化させる変更手段を備えることを特徴としている。

第５の発明は、第４の発明において、前記変更手段は、前記最小セル電圧が予め定められた第３判定値を下回ったら、前記燃料電池内の水分量が減少する方向に前記因子を変化させ、
前記湿潤状態判定手段は、前記変更手段の作動によって前記因子が変化したとき、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定を行うことを特徴としている。

第６の発明は、第５の発明において、前記第３判定値は、前記複数電池セルの各電圧の中から選択される参照セル電圧に基づいて設定されることを特徴としている。

第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池の負荷が上昇する方向に前記因子が変化したとき、前記最小電圧が予め定められた第４判定値を下回ったら、前記因子の変化前における前記燃料電池内の湿潤状態を湿潤不足と判定することを特徴としている。

第８の発明は、第７の発明において、前記第４判定値は、前記複数電池セルの各電圧の中から選択される参照セル電圧に基づいて設定されることを特徴としている。

第９の発明は、第６又は第８の発明において、前記複数電池セルの各電圧の中から最大電圧を選択する最大電圧選択手段をさらに備え、
前記最大電圧が前記参照セル電圧として設定されることを特徴としている。

第１０の発明は、第２又は第３の発明において、前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池内の水分量が減少する方向への前記因子の単位時間における変化割合が予め定められた第５判定値を超えている場合に、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定結果を有効とすることを特徴としている。

第１１の発明は、第７又は第８の発明において、前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池の負荷が上昇する方向への前記因子の単位時間における変化割合が予め定められた第６判定値を超えている場合に、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定結果を有効とすることを特徴としている。

湿潤状態が適正でない電池セルは燃料電池内の湿潤状態、或いは燃料電池の負荷に影響する因子が変化したときに特有の電圧変化を示す。具体的には、湿潤過剰にある電池セルでは、適正な湿潤状態にある電池セルよりも低い電圧を示し、燃料電池内の水分量の減少に伴い電圧が上昇する。逆に、湿潤不足にある電池セルでは、燃料電池の負荷の上昇に伴い適正な湿潤状態にある電池セルよりも大きく電圧が低下する。したがって、燃料電池内の湿潤状態、或いは燃料電池の負荷に影響する因子が変化したとき、複数電池セルの各電圧の中から最小電圧を選択して、その電圧変化を見ることで、燃料電池内の湿潤状態を容易に判定することができる。第１の発明によれば、分散の算出のような複雑な演算処理は必要としないので、演算処理に要する負荷は軽減される。

また、第２の発明によれば、燃料電池内の水分量が減少する方向に前記因子が変化したときに最小電圧を所定の第１判定値と比較するだけで、燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰になっているか否か容易に判定することができる。

燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰であるとき、前記因子の変化が一時的な変化の場合には、前記因子の変化時、或いは変化終了後、最小電圧は再び低下する。第３の発明によれば、前記因子の変化時、或いは変化終了後の最小電圧の変化も判定条件の一つとしているので、燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰になっているか否か正確に判定することができる。

第４の発明によれば、燃料電池内の湿潤状態の判定のために前記因子を強制的に変化させることができるので、任意のタイミングで、且つ、確実に湿潤状態を判定することが可能になる。

湿潤過剰な電池セルは適正な湿潤状態にある電池セルよりも電圧は低下している。第５の発明によれば、最小セル電圧が第３判定値よりも低いことを湿潤状態判定の前提にしているので、不要な判定を防止して燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰になっているか否か正確に判定することができる。

第６の発明によれば、複数電池セルの各電圧の中から選択される参照セル電圧が前記第３判定値の設定に用いられるので、最小セル電圧と適正な湿潤状態にある電池セルの電圧との相対的な比較によって燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰になっているか否か正確に判定することができる。

また、第７の発明によれば、燃料電池の負荷が上昇する方向に前記因子が変化したときに最小電圧を所定の第４判定値と比較するだけであるので、燃料電池内の湿潤状態が湿潤不足になっているか否か容易に判定することができる。

第８の発明によれば、複数電池セルの各電圧の中から選択される参照セル電圧が前記第４判定値の設定に用いられるので、最小セル電圧と適正な湿潤状態にある電池セルの電圧との相対的な比較によって、燃料電池内の湿潤状態が湿潤不足になっているか否か正確に判定することができる。

また、第９の発明によれば、複数電池セルの各電圧の中から選択される最大電圧を参照セル電圧として設定されることで、各電圧の変動が判定結果へ及ぼす影響を最小限に抑えることができ、より正確な湿潤状態の判定が可能になる。また、最大電圧の選択には分散の算出のような複雑な演算処理は必要としないので、演算処理に要する負荷の増大は抑えられる。

第１０の発明によれば、前記因子の変化が湿潤過剰な電池セルの電圧の変化に明確に現れる状況でのみ判定結果が有効とされるので、燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰になっているか否かより正確に判定することができる。

第１１の発明によれば、前記因子の変化が湿潤不足状態にある電池セルの電圧の変化に明確に現れる状況でのみ判定結果が有効とされるので、燃料電池内の湿潤状態が湿潤不足になっているか否かより正確に判定することができる。

以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置が適用される燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。本燃料電池システムは燃料電池自動車に搭載される車両用燃料電池システムとして好適である。ただし、他の用途の燃料電池システムへの適用も勿論可能である。

本燃料電池システムは固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池）２を備えている。燃料電池２は複数枚の電池セルが積層された構造を有している。各電池セルは、図示は省略するが、電解質膜の両側を触媒電極であるアノード極とカソード極とで挟まれ、さらにその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。セパレータとアノード極との間には水素が流れる水素流路が形成され、セパレータとカソード極との間には空気が流れる空気流路が形成されている。

燃料電池２には水素流路に水素を供給するための水素供給管４と水素流路からアノードオフガスを排出するためのオフガス排気管６が接続されている。水素供給管４の上流端は水素供給装置１０に接続され、水素供給装置１０と燃料電池２との間には調圧装置１２が配置されている。水素供給装置１０から供給される水素は調圧装置１２で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。水素供給装置１０としては、ガソリン等の炭化水素系原料を改質して水素リッチな燃料ガスを供給する改質器を用いてもよく、水素を圧縮して貯蔵した高圧水素タンクを用いてもよい。

燃料電池２で消費されなかった水素はカソード極側から透過してきた窒素等の不純物とともにアノードオフガスとして水素流路からオフガス排気管６に排気される。オフガス排気管６には遮断弁１６が配置されるとともに、遮断弁１６の上流側ではオフガス排気管６から分岐してオフガス循環管８が接続されている。オフガス循環管８は水素供給管４における調圧装置１２の下流側にエジェクタ等を介して接続されている。オフガス循環管８にはアノードオフガスを水素流路から引き出して水素供給管４に送り出す循環装置１４が設けられている。遮断弁１６は所定のタイミングで開かれ、遮断弁１６が開くことで循環系内に滞留している窒素等の不純物が水素とともに外部に放出されるようになっている。

また、燃料電池２には空気流路に空気を供給するための空気供給管２０と空気流路からカソードオフガスを排出するためのオフガス排気管２２が接続されている。空気供給管２０にはエアコンプレッサ等の空気供給装置２４が配置されており、空気供給装置２４の作動によって外部から空気供給管２０に空気が取り込まれ空気流路に供給される。オフガス排気管２２は大気開放され、その管路の途中には空気圧を調整するための調圧装置３０が設けられている。

オフガス排気管２２の調圧装置３０よりも上流側と空気供給管２０の空気供給装置２４よりも下流側とは水蒸気交換装置２８によって接続されている。カソードオフガスに含まれる水分の一部は水蒸気交換装置２８により回収され、空気流路に供給される空気に付与される。空気供給管２０には、水蒸気交換装置２８を迂回するバイパス管２６が水蒸気交換装置２８と並列に接続されている。空気供給管２０とバイパス管２６の上流端とは三方弁３２によって接続され、三方弁３２のポート切換によって空気供給装置２４からの空気の供給先を水蒸気交換装置２８側とバイパス管２６側との間で切り換えることができるようになっている。

本燃料電池システムは燃料電池２の運転を制御する制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は水素供給装置１０，調圧装置１２，循環装置１４，遮断弁１６，空気供給装置２４、三方弁３２、調圧装置３０等の機器を総合制御することで、燃料電池２の運転を制御している。また、ＥＣＵ４０の入力側には、燃料電池２の運転を制御するための情報を検出する手段として、セル電圧監視装置４２が接続されている。セル電圧監視装置４２は燃料電池２を構成する全電池セルについてそれぞれの電圧をリアルタイムに計測し、計測した全電池セルの各電圧をＥＣＵ４０に供給している。

ＥＣＵ４０が燃料電池２の運転を制御する制御モードの一つとして、燃料電池２の湿潤状態を判定するときに実行する湿潤状態判定モードがある。燃料電池２の電解質膜は固体高分子膜であり、発電時、水素イオンは水分子と結びついた状態で電解質膜中をアノード極側からカソード極側へ移動する。電解質膜中の水分が不足すると水素イオンの導電率は大きく低下するため、電池性能を維持するためには電解質膜中に十分な水分が必要であり、燃料電池２内が湿潤不足にならないよう加湿する必要がある。ただし、過剰な加湿により燃料電池２内を湿潤過剰にしてしまうと、電解質膜の付近に存在する水によってカソード極或いはアノード極へのガスの供給が阻害されて電池性能が低下してしまう。したがって、高い電池性能を継続的に得るためには電解質膜が十分に湿潤し、且つ、空気流路や水素流路内をガスが十分に流通できるように燃料電池２内を適度な湿潤状態に維持することが重要であり、そのためにも現在の燃料電池２の湿潤状態を正確に判定することが要求される。湿潤状態判定モードはこのような要求に基づき設定された制御モードである。

湿潤状態判定モードは燃料電池２の出力電圧が低下したとき、例えば、出力電圧が所定の判定値を下回ったときに実行される。或いは、燃料電池２の運転時間が所定時間に達したら実行するようにしてもよい。ただし、後述するように、湿潤状態の判定は燃料電池２の負荷の変化の影響を受けるので、例えば、車両の加速時のように燃料電池２の負荷が変動している状況、或いは変動幅が許容範囲を超える状況では湿潤状態判定モードの実行は禁止される。

湿潤状態判定モードではＥＣＵ４０は空気供給装置２４を制御して燃料電池２への空気供給量を一時的に増大させる制御を実行する。特定の電池セルが湿潤過剰になっている場合、空気供給量の一時的な増大により過剰な水分が空気とともに持ち去られるため、湿潤過剰は一時的に解消されてセル電圧は上昇する。そして、空気供給量が元の流量に減少することで再び湿潤過剰になりセル電圧は低下する。一方、特定の電池セルが湿潤不足になっている場合は、空気供給量の一時的な増大に伴い湿潤不足がさらに進んで電圧は低下する。この現象は主として空気供給量の増大に伴う燃料電池２の負荷（発電電力）の増大に起因する。電解質膜中の水素イオンの移動量は負荷の増大に応じて増大するが、このとき水素イオンとともに電解質膜中の水分子もカソード極側から電解質膜外に移動する。このため、燃料電池２の負荷の増大に応じて電解質膜外への水分の移動量も増大し、電解質膜の乾燥が進んでしまうのである。空気供給量が元の流量に減少することで燃料電池２の負荷も低下し、電解質膜の湿潤状態が回復してセル電圧は上昇する。

このように、電池セルが湿潤過剰にある場合と湿潤不足にある場合とでは、空気供給量を一時的に増大させたときのセル電圧の挙動が全く異なっている。したがって、このときのセル電圧の挙動を調べることで燃料電池２内の湿潤状態を判定することができる。ＥＣＵ４０はセル電圧監視装置４２で計測される全電池セルの各電圧に基づいて燃料電池２内の湿潤状態を判定する。なお、本実施形態では、空気供給装置２４が燃料電池２内の湿潤状態、或いは燃料電池２の負荷に影響する因子を強制的に変化させる変更手段として機能している。

ＥＣＵ４０は計測された全電池セルの各電圧の中から最小電圧と最大電圧（各計測時点における全電圧の中の最小値と最大値）とを選択する。選択された最小電圧が判定対象となる対象セル電圧となり、最大電圧が対象セル電圧を評価するための基準となる参照セル電圧となる。湿潤過剰或いは湿潤不足になっている電池セルは適正な湿潤状態にある電池セルに比較してセル電圧が低い。よって、このように最小電圧を選択することで、多数（数百枚）の電池セルの中から湿潤過剰或いは湿潤不足の可能性のある電池セルを簡単に特定することができる。また、一つの電池セルに着目したときそのセル電圧には変動があるが、最大電圧を参照セル電圧として設定することで、セル電圧の変動が判定結果へ及ぼす影響を最小限に抑えることができる。なお、本実施形態では、以上のＥＣＵ４０の機能によって第１の発明にかかる「最小電圧選択手段」と第９の発明にかかる「最大電圧選択手段」が実現されている。

ＥＣＵ４０は上記のようにして設定される対象セル電圧と参照セル電圧とを用いて燃料電池２内の湿潤状態を判定する。ここで、図２は、湿潤過剰になっている電池セルが存在する場合に空気流量を一時的に増大させたときに生じる対象セル電圧の変化を参照セル電圧の変化と併せて示したグラフである。また、図３は、湿潤不足になっている電池セルが存在する場合に燃料電池２の発電電力を一時的に増大させたときに生じる対象セル電圧の変化を参照セル電圧の変化と併せて示したグラフである。以下、図２及び図３を用いて、ＥＣＵ４０により行われる湿潤状態の判定方法について詳しく説明する。なお、本実施形態では、以下に説明するＥＣＵ４０の機能によって第１の発明にかかる「湿潤状態判定手段」が実現されている。

まず、燃料電池２内の湿潤状態が湿潤過剰になっている否かの判定（湿潤過剰判定）の方法について説明する。図２中に示すように、ＥＣＵ４０は対象セル電圧Ｖを評価するための基準として３つの判定値Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃を設定している。第２判定値Ｖ₂は第１判定値Ｖ₁よりも小さい値であり、第３判定値Ｖ₃も第１判定値Ｖ₁よりも小さい値に設定されている。ただし、第１判定値Ｖ₁と第２判定値Ｖ₂は固定値であるが、第３判定値Ｖ₃は参照セル電圧Ｖ_refに対する相対値であり、参照セル電圧Ｖ_refよりも所定値ΔＶ_aだけ低い値に設定されている。

ＥＣＵ４０は、まず、対象セル電圧Ｖと第３判定値Ｖ₃とを比較する。そして、対象セル電圧Ｖが第３判定値Ｖ₃を下回っていれば湿潤過剰判定を開始し、空気供給装置２４を制御して空気流量を一時的に増大させる。対象セル電圧Ｖと第３判定値Ｖ₃との比較は誤判定を防止するためであり、参照セル電圧Ｖ_refと第３判定値Ｖ₃との電圧差ΔＶ_aは湿潤過剰によりセル電圧が低下したことを十分に推定できる程度の値に設定されている。

空気流量の増大により対象セル電圧Ｖが上昇したら、ＥＣＵ４０は対象セル電圧Ｖと第１判定値Ｖ₁との比較を行う。そして、対象セル電圧Ｖが第１判定値Ｖ₁を超えたら湿潤過剰であるとの仮判定を行う（例えば、仮判定フラグをセットする）。

空気供給装置２４の作動終了により空気流量が減少に転じると、上昇していた対象セル電圧Ｖは再び減少していく。湿潤過剰であるとの仮判定が行われている場合（例えば、仮判定フラグがセットされている場合）、ＥＣＵ４０は対象セル電圧Ｖと第２判定値Ｖ₂との比較を行う。そして、対象セル電圧Ｖが第２判定値Ｖ₂を下回ったら仮判定を有効とし、燃料電池２内の湿潤状態を湿潤過剰と判定する。このように対象セル電圧Ｖが第２判定値Ｖ₂を下回ることも判定条件の一つとしているのは、燃料電池２内の湿潤状態が真に湿潤過剰になっているか否か正確に判定するためである。ガス流路の詰まり等、何等かの理由で一時的にセル電圧が低下していただけの場合も考えられるので、このように二重の判定を行うことで誤判定を防止することができる。

なお、第３判定値Ｖ₃は参照セル電圧Ｖ_refに所定の１未満の係数を乗算した値でもよい。また、ここでは第１判定値Ｖ₁と第２判定値Ｖ₂は固定値としているが、第３判定値Ｖ₃と同様に参照セル電圧Ｖ_refに対する相対値としてもよい。

次に、燃料電池２内の湿潤状態が湿潤不足になっている否かの判定（湿潤不足判定）の方法について説明する。図３中に示すように、ＥＣＵ４０は対象セル電圧Ｖを評価するための基準として第４判定値Ｖ₄を設定している。第４判定値Ｖ₄は参照セル電圧Ｖ_refに対する相対値であり、参照セル電圧Ｖ_refよりも所定値ΔＶ_bだけ低い値に設定されている。なお、上記の第３判定値Ｖ₃と同様、この第４判定値Ｖ₄も参照セル電圧Ｖ_refに所定の１未満の係数を乗算した値でもよい。

図２と図３の対象セル電圧Ｖを比較して分かるように、湿潤不足の場合、湿潤過剰の場合ほど通常運転時のセル電圧の低下は大きくない。このため、通常運転時の対象セル電圧Ｖからでは湿潤不足の電池セルか否か予測することは難しい。そこで、湿潤不足判定においては、ＥＣＵ４０は、まず、空気供給装置２４を制御して空気流量を一時的に増大させることで燃料電池２の発電電力を増大させる。そして、発電電力の増大により対象セル電圧Ｖが低下したら、ＥＣＵ４０は対象セル電圧Ｖと第４判定値Ｖ₄との比較を行う。比較の結果、対象セル電圧Ｖが第４判定値Ｖ₄を下回ったら、燃料電池２内の湿潤状態を湿潤不足と判定する。参照セル電圧Ｖ_refと第４判定値Ｖ₄との電圧差ΔＶ_bは湿潤不足によりセル電圧が低下したことを十分に推定できる程度の値に設定されている。

以上のような湿潤状態の判定方法によれば、全電池セルの各セル電圧の中から最小電圧と最大電圧を選択することが主な演算処理となり、分散の算出のような複雑な演算処理は必要としない。このため、演算処理に要するＥＣＵ４０の負荷は軽減され、判定開始から判定結果の出力までの時間を短縮することができる。また、ＥＣＵ４０の負荷は軽減されることから、湿潤状態判定以外の他の制御に遅れが生じることも防止される。

ＥＣＵ４０は湿潤状態の判定結果が出たら湿潤状態判定モードを終了し、判定結果に応じた制御モード（セル電圧回復モード）を実行する。判定結果が湿潤過剰の場合には湿潤過剰を解消するのに適した制御を行い、判定結果が湿潤不足の場合には湿潤不足を解消するのに適した制御を行うことでセル電圧を回復させる。湿潤過剰を解消するのに適した制御としては、例えば、空気供給装置２４を制御して空気供給量を増大させることがある。また、三方弁３２を切り換えて水蒸気交換装置２８を通らない乾燥空気を燃料電池２に供給してもよい。また、調圧装置１２，３０を制御して燃料電池２内のガス圧を低下させたり、燃料電池２の運転温度を上昇させたりすることも有効である。湿潤不足を解消するのに適した制御としては、例えば、空気供給装置２４を制御して空気供給量を減少させることがある。また、調圧装置１２，３０を制御して燃料電池２内のガス圧を上昇させたり、燃料電池２の運転温度を低下させたりすることも有効である。

なお、上記の湿潤状態判定モードやセル電圧回復モードの実行中は、発電電力の増加指要求あった場合に要求に応えることができない。そこで、この場合は二次電池等の燃料電池２とは別の電力供給源から所要の電力の供給を行うようにする。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上述の実施の形態では、湿潤状態判定モードにおいて空気供給装置２４を制御して空気量を変化させているが、燃料電池２内の湿潤状態、或いは燃料電池２の負荷に影響する因子であれば、空気量以外の他の因子を変化させてもよい。特に、湿潤過剰判定に関しては燃料電池内２の湿潤状態に影響する因子であればよく、例えば燃料電池２内のガス圧や燃料電池２の運転温度を変化させてもよい。また、遮断弁１６の開閉によって制御されるアノードオフガスの排出量を変化させてもよい。また、湿潤不足判定に関しては燃料電池２の負荷に影響する因子であればよく、例えば、二次電池への充電量を変化させたり、燃料電池２から電力の供給を受ける補機の電力使用量を変化させたりしてもよい。

さらに、燃料電池２内の湿潤状態、或いは燃料電池２の負荷に影響する因子の変化は、必ずしも上述の実施の形態のような強制的な変化である必要はない。燃料電池２の通常運転時の成り行きによって前記因子が変化したとき、その変化が所定の要件を満たす変化であれば湿潤状態の判定を行うようにしてもよい。ここでいう所定の要件とは、湿潤過剰判定の場合には、燃料電池２内の水分量が減少する方向に前記因子が変化することであり、例えば、空気量であれば空気量が増大することである。これにより、第１判定値Ｖ₁との比較が可能になる。好ましくは、その後、燃料電池２内の水分量が増大する方向に前記因子が変化すること、例えば、空気量が減少することも要件に加える。これにより、第２判定値Ｖ₂との比較が可能になって、より正確な湿潤状態の判定を実現することができる。また、湿潤不足判定の場合には、燃料電池２の負荷が上昇する方向に因子が変化することが所定の要件であり、例えば、空気量であれば空気量が増大することである。これにより、第４判定値Ｖ₄との比較が可能になる。その後、燃料電池２の負荷が低下する方向に因子が変化すること、例えば、空気量が減少することは必ずしも必要ではない。

なお、成り行きによる前記因子の変化によって湿潤状態の判定を行う場合、前記因子の単位時間における変化割合により判定結果の有効性を判断することが望ましい。前記因子の変化が少ない場合には、セル電圧の変化も小さく判定の制度が低下するからである。湿潤過剰判定の場合であれば、燃料電池２内の水分量が減少する方向への前記因子の単位時間における変化割合が所定の第５判定値を超えていれば、湿潤過剰判定の判定結果を有効とすればよい。湿潤不足判定の場合であれば、燃料電池２の負荷が上昇する方向への前記因子の単位時間における変化割合が所定の第６判定値を超えていれば、湿潤不足判定の判定結果を有効とすればよい。

本発明の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置が適用される燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態において実行される湿潤過剰判定を説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態において実行される湿潤不足定を説明するためのグラフである。

符号の説明

２ 燃料電池
４ 水素供給管
６ オフガス排気管
８ オフガス循環管
１０ 水素供給装置
１２ 調圧装置
１４ 循環装置
１６ 遮断弁
２０ 空気供給管
２２ オフガス排気管
２４ 空気供給装置
２６ バイパス管
２８ 水蒸気交換装置
３０ 調圧装置
３２ 三方弁
４０ ＥＣＵ
４２ セル電圧監視装置

Claims (7)

1. 複数の電池セルからなる固体高分子型の燃料電池と、
   前記複数電池セルのそれぞれの電圧を計測する計測手段と、
   計測された前記複数電池セルの各電圧の中から最小電圧を選択する最小電圧選択手段と、
   前記燃料電池内の湿潤状態に影響する因子（以下、湿潤状態影響因子）が前記燃料電池内の水分量が減少する方向に変化したとき、前記最小電圧が予め定められた第１判定値を超えたら、前記湿潤状態影響因子の変化前における前記燃料電池内の湿潤状態を湿潤過剰と判定する湿潤過剰判定手段と、
   を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。
2. 前記湿潤状態影響因子の変化は一時的な変化であり、
   前記湿潤過剰判定手段は、前記湿潤状態影響因子の変化時、或いは変化終了後に、前記最小電圧が予め定められた前記第１判定値より小さい第２所定値を下回ったら、前記燃料電池内の湿潤過剰に関する判定結果を有効とすることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。
3. 前記湿潤状態影響因子を強制的に変化させる変更手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。
4. 前記変更手段は、前記複数電池セルの各電圧の中から選択される最大電圧よりも所定値だけ或いは所定割合だけ小さく、且つ、前記第１判定値よりも小さい第３判定値を前記最小セル電圧が下回ったら、前記燃料電池内の水分量が減少する方向に前記湿潤状態影響因子を変化させ、
   前記湿潤過剰判定手段は、前記変更手段の作動によって前記湿潤状態影響因子が変化したとき、前記燃料電池内の湿潤過剰に関する判定を行うことを特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。
5. 前記燃料電池内の負荷に影響する因子（以下、負荷影響因子）が前記燃料電池の負荷が上昇する方向に変化したとき、前記複数電池セルの各電圧の中から選択される最大電圧よりも所定値だけ或いは所定割合だけ小さい第４判定値を前記最小電圧が下回ったら、前記負荷影響因子の変化前における前記燃料電池内の湿潤状態を湿潤不足と判定する湿潤不足判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。
6. 前記湿潤過剰判定手段は、前記燃料電池内の水分量が減少する方向への前記湿潤状態影響因子の単位時間における変化割合が予め定められた第５判定値を超えている場合に、前記燃料電池内の湿潤過剰に関する判定結果を有効とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。
7. 前記湿潤不足判定手段は、前記燃料電池の負荷が上昇する方向への前記負荷影響因子の単位時間における変化割合が予め定められた第６判定値を超えている場合に、前記燃料電池内の湿潤不足に関する判定結果を有効とすることを特徴とする請求項５に記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。

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