JP5228759B2 - 抵抗分布検出装置及びそれを使用する燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、抵抗分布検出装置及びそれを使用する燃料電池システムに関する。

燃料電池の出力密度を向上させるには、セルの発電電流密度のムラをなくして発電電流密度を一様にしつつ、発電電流密度を高めることが望ましい。セルの発電電流密度のムラは、セルの内部抵抗の分布(バラツキ)によって生じてしまう。またセルの内部抵抗が高いと、電力損失が生じてしまって発電電流密度を高めることができない。したがって発電中は、セルの内部抵抗の分布(バラツキ)を所定の範囲内に納めつつ、セルの内部抵抗を極力低減することが望ましい。

ところで抵抗分布の検知対象であるセルは、電解質膜を含む膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)の表裏面に一対のセパレータが配置された構成である。セパレータには、電力損失を低減するように、体積抵抗率の低いカーボンやステンレス材などが用いられる。そのためセルの内部抵抗は、特に電解質膜の内部抵抗に依存する。電解質膜の内部抵抗は、電解質膜のイオン伝導度に大きな影響を受ける。イオン伝導度が高まると、電解質膜の内部抵抗が小さくなる。セル全体としての内部抵抗も小さくなる。そしてイオン伝導度は電解質膜の含水量に比例して高く(伝導しやすく)なる。したがって、電解質膜の含水量を発電状態に応じて適切に制御すれば、セルの発電電流密度のムラがなくなるとともに、セルの発電電流密度が高くなって、出力密度が向上する。

このようなことから、電解質膜の内部抵抗の分布を正確に検出することが望ましい。

しかしながらセパレータには、上述のように体積抵抗率の低いカーボンやステンレス材が用いられるので、セパレータの外部から電解質膜の抵抗分布を検出しようとすると、セパレータの面内方向の電流分流効果(シャント効果)によって、分布が平滑化されて小さくなった抵抗分布が検出されることとなる。したがって抵抗分布を正確に検出するには、セパレータの電流分流効果(シャント効果)を防止する必要がある。

たとえば特許文献１では、セパレータの面内方向へ電流が分流することを防止するために、電気絶縁材で複数の部分領域に区分した専用セパレータを使用してセルの抵抗分布を検出する。
特開２００３−７７５１５号公報

しかしながら、前述した従来の方法では、セパレータを構造的に区分(分割電極化)するので、実際の燃料電池セルとは異なった計測結果になってしまう。したがってこのような計測結果と実際の分割電極化していないセパレータとの差異を検証する必要がある。またセパレータのガスシールや機械強度などの本来の機能を維持するための構造や、それを製造することが難しい。そのため実際の燃料電池スタックに組み込んで抵抗分布を検出することが困難である。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、実際の燃料電池セルの抵抗分布を正確に検出可能な抵抗分布検出装置及びそれを使用する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、電気絶縁性のベースプレートの表面に形成されて抵抗分布検知対象セルに当接する複数の電極を含む電極プレートと、複数の電極のそれぞれの電位が同電位になるように交流を流す交流制御器と、複数の電極に流された交流に基づいて各電極に当接する領域毎の抵抗値を算出する抵抗算出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電気絶縁性のベースプレートの表面に形成されて抵抗分布検知対象セルに当接する複数の電極のそれぞれの電位が同電位になるように交流を流すようにした。交流はスタック発電電流(直流)と混合しない。したがって抵抗分布検知対象セルの内部抵抗を正確に検出できるのである。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
はじめに本発明の理解を容易にするために、図１３及び図１４を参照して解決課題について説明する。

燃料電池の発電セル１０は、ＭＥＡ１１の表裏面にセパレータ１２が積層された構造である。セル１０の内部抵抗をモデル化して示したのが図１３である。ＭＥＡ１１は箇所によって、電圧Ｅ(１)，Ｅ(２)，Ｅ(３)，Ｅ(４)を発電する。また箇所によって、内部抵抗Ｒｍ(１)，Ｒｍ(２)，Ｒｍ(３)，Ｒｍ(４)が分布する。

上述のようにセパレータ１２には、体積抵抗率の低いカーボンやステンレス材などが用いられるので、セパレータ１２の外部からＭＥＡ１１の抵抗分布を検出しようとすると、セパレータ１２の面内方向に電流Ｉｐ(１)，Ｉｐ(２)，Ｉｐ(３)が分流してしまう。

図１４(Ａ)に示したように内部抵抗Ｒｍ(１)，Ｒｍ(２)，Ｒｍ(３)，Ｒｍ(４)が分布していても、電流Ｉｐ(１)，Ｉｐ(２)，Ｉｐ(３)が分流することで、電流の検出値(図１４(Ｂ)の実線)が、本来値(図１４(Ｂ)の破線)に比べて平滑化されてしまう。このため内部抵抗の検出値(図１４(Ｃ)の実線)も、本来値(図１４(Ｃ)の破線)に比べて平滑化されてしまうのである。

図１は、本発明による抵抗分布検出装置を使用する燃料電池を示す図であり、図１(Ａ)は全体斜視図、図１(Ｂ)は電極プレートの単品を抜き出して示す斜視図、図１(Ｃ)は燃料電池の一部の断面を拡大して示す図である。

燃料電池スタック１は、複数の発電セル１０を積層し、その両側からエンドプレート４０で挟持する構成である。

発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。

発電セル１０は、図１(Ｃ)に示すように、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)１１の表裏面にセパレータ１２が積層された構造である。

ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１ａの両面に電極触媒層１１ｂが形成されている。この電極触媒層１１ｂに、セパレータ１２が重なる。

セパレータ１２は、表裏面に凹凸が形成され、その凹部がガス流路１２ａとなる。片面のガス流路１２ａにカソードガスが流れ、裏面のガス流路１２ａにアノードガスが流れる。なお反応ガスの漏出を防止するためにシール１３が配置されている。セパレータ１２の内部には冷却水流路１２ｂが形成される。

エンドプレート４０は、積層された発電セル１０の最外部分に配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。

一方のエンドプレート４０(図１では、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード供給口４１ａ、冷却水供給口４３ａ及びカソード供給口４２ａは図中左側に設けられている。またアノード排出口４１ｂ、冷却水排出口４３ｂ及びカソード排出口４２ｂは図中右側に設けられている。

なお図示を省略するが、エンドプレート４０の四隅付近には、ナットがそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にはテンションロッド(不図示)が挿通される。テンションロッドは、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッドは、発電セル同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッドの両端に上述したナットが螺合する。ナットとテンションロッドとが燃料電池スタック１を積層方向に締め付ける。

アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等がある。また、カソード供給口４２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。

ＭＥＡ１１、セパレータ１２及び電極プレート２０には、それぞれ孔４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが形成されている。たとえば電極プレート２０の様子を図１(Ｂ)に示す。これらが重ねられて、アノード供給口４１ａ、アノード排出口４１ｂ、カソード供給口４２ａ、カソード排出口４２ｂ、冷却水供給口４３ａ及び冷却水排出口４３ｂが形成される。

燃料電池スタック１には、一部(図１では１枚)のＭＥＡ１１の代わりに電極プレート２０が積層されている。なお図１では１枚の電極プレート２０が積層されているが、２枚以上であってもよい。

図１(Ｂ)に示すように電極プレート２０は、ベースプレート２１と、電極２２(電極２２−１，電極２２−２，電極２２−３及び電極２２−４)と、を含む。

ベースプレート２１は電気絶縁性である。ベースプレート２１はコネクタエッジ２１ａを含む。またベースプレート２１は、図１(Ｃ)に示すように交流発生器３０を内蔵する。交流発生器３０は、信号線２１ｂ(信号線２１ｂ−１，信号線２１ｂ−２，信号線２１ｂ−３，信号線２１ｂ)を介して各電極２２(電極２２−１，電極２２−２，電極２２−３，電極２２−４)を接続する。交流発生器３０は、各電極２２(電極２２−１，電極２２−２，電極２２−３，電極２２−４)ごとに交流を調整可能である。

電極２２は、ベースプレート２１の片面に形成される。図１(Ｂ)では、電極２２−１，電極２２−２，電極２２−３及び電極２２−４の４枚が形成された場合を一例として示したが、２枚若しくは３枚であっても又は５枚以上であってもよい。要求される精度や製造コストなどを勘案して適宜設定すればよい。電極２２は、抵抗分布検知対象セル１０に当接する。なお本実施形態では抵抗分布検知対象セル１０は、図面左側のセル１０である。

そして、電極プレート２０のコネクタエッジ２１ａと、ＭＥＡ１１を挟んで電極プレート２０の反対側の抵抗分布検知対象セル１０と、が帰還電流配線２３で接続される。

また図１では図示を省略するが、図２に示すように、ＭＥＡ１１の片面と、そのＭＥＡ１１の反対面側に当接する電極２２と、の電位差を検出する検出器５１が設けられている。

図２は上述の構成をモデル化した図である。

コントローラ７０は、検出器５１−１，５１−２，５１−３，５１−４で検出された電位差Ｖｓ(１)，Ｖｓ(２)，Ｖｓ(３)，Ｖｓ(４)を入力し、その電位差Ｖｓ(１)，Ｖｓ(２)，Ｖｓ(３)，Ｖｓ(４)が等しくなるように交流発生器３０−１，３０−２，３０−３，３０−４の発生交流を制御する。このとき交流電流Ｉｓ(１)は、電極２２−１、ＭＥＡ１１の内部抵抗Ｒｍ(１)、帰還電流配線２３−１を流れる。交流電流Ｉｓ(２)，Ｉｓ(３)，Ｉｓ(４)も同様に流れる。そしてコントローラ７０は、この交流信号にオームの法則を適用することで、内部抵抗Ｒｍ(１)，Ｒｍ(２)，Ｒｍ(３)，Ｒｍ(４)を算出する。

このように電位差Ｖｓ(１)，Ｖｓ(２)，Ｖｓ(３)，Ｖｓ(４)が等しくなるように交流発生器３０−１，３０−２，３０−３，３０−４の発生交流を制御するようにした。このようにすることで、セパレータ１２の面内抵抗Ｒｐの両端電位差がゼロとなり、セパレータ１２の面内方向に電流Ｉｐ(１)，Ｉｐ(２)，Ｉｐ(３)が分流してしまうことを防止できる。

図３は本実施形態の効果を説明する図である。

したがって本実施形態による検出値(図３(Ｂ)の実線)は本来値に一致する。なお図３(Ｂ)では図１４(Ｂ)の検出値を参考までに破線で付した。このため内部抵抗の検出値(図１４(Ｃ)の実線)も、本来値に一致するのである。なお図３(Ｃ)でも図１４(Ｃ)の検出値を参考までに破線で付した。

なお本実施形態では、交流発生器３０−１，３０−２，３０−３，３０−４を使用して交流を制御している。そのためスタック発電電流(直流)と混合しない。そして交流電流Ｉｓ(１)，Ｉｓ(２)，Ｉｓ(３)，Ｉｓ(４)及び交流電位Ｖｓ(１)，Ｖｓ(２)，Ｖｓ(３)，Ｖｓ(４)からオームの法則によって、各電極領域の内部抵抗Ｒｍ(１)，Ｒｍ(２)，Ｒｍ(３)，Ｒｍ(４)を正確に算出できるのである。なお直流のパルス波(電圧レベルを周期的にＯＮ／ＯＦＦさせる)でも同様に作用し得るが、スタック発電量と同等の大電力(数ｋＷ)をドライブする回路が必要になり、特に自動車用などの燃料電池ではスタックより回路が大形になり非現実的である。また、既存のＦＲＡ(周波数応答解析法)でも準直流(１Ｈｚ以下)にて抵抗分布計測は可能であるが供試体をある程度発電しないと検出できないなどの制約がある。したがって本実施形態のように交流を制御することが最適である。

（第２実施形態）
図４は、本発明による抵抗分布検出装置の第２実施形態を示すモデル回路図である。なおこの図４は第１実施形態の図２に相当する図であり主要構成のみ取りだした。また以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態の抵抗分布検出装置は、基準電位発生器５２を含む。また隣設する電極２２の電位を比較する比較器５３を含む。そしてこの電位差をフィードバックして電位差をゼロにするように、交流発生器３０が発生交流を調整する。

比較器５３−１は、基準電位発生器５２の基準電位Ｖｓ(０)と電極２２−１の電位Ｖｓ(１)との電位差を検出しこの電位差がゼロになるように交流発生器３０−１の発生交流をフィードバック制御する。またこのときの発生交流信号Ｓｉｓ(１)をコントローラ７０に送信する。コントローラ７０はこの交流信号Ｓｉｓ(１)にオームの法則を適用することで、内部抵抗Ｒｍ(１)を算出する。

比較器５３−２は、電極２２−１の電位Ｖｓ(１)と電極２２−２の電位Ｖｓ(２)との電位差を検出しこの電位差がゼロになるように交流発生器３０−２の発生交流をフィードバック制御する。またこのときの発生交流信号Ｓｉｓ(２)をコントローラ７０に送信する。コントローラ７０はこの交流信号Ｓｉｓ(２)にオームの法則を適用することで、内部抵抗Ｒｍ(２)を算出する。比較器５３−３及び比較器５３−４についても同様である。

本実施形態によれば、隣設する電極２２の電位差を検出し、その検出電位差をフィードバックして隣設する電極２２の電位が同じになるように交流を制御する。このようにすれば、電源を投入してから所定時間経過後(フィードバックが収束完了後)は、各電極２２は基準電位発生器５２の出力電位に常に制御される。これによってセパレータの面内抵抗Ｒｐの両端電位差がゼロに保たれ、面内抵抗Ｒｐには電流が流れない。すなわちセパレータ１２の面内方向に電流が分流してしまうことを防止できる。

また各比較器５３の出力信号Ｓｉｓは各交流電流Ｉｓに比例した値である。したがって各比較器５３の出力信号Ｓｉｓをコントローラ７０に入力して、出力信号の比例係数を乗算して交流電流Ｉｓが求められる。そしてこの交流電流Ｉｓと基準電位発生器５２の出力電圧Ｖｓ(0)とからオームの法則に基づいて、各電極領域の抵抗値を正確に求めることができるのである。

さらに本実施形態によれば、第１実施形態よりも回路を簡易に組むことができ、製造コストを低減できるのである。

（第３実施形態）
図５は本発明による抵抗分布検出装置の第３実施形態を示すモデル回路図であり、図５(Ａ)は全体図、図５(Ｂ)は図５(Ａ)の破線内の等価回路を示す図である。

本実施形態の抵抗分布検出装置は、基準電位発生器５２を含む。またこの基準電位と各電極２２との電位を比較する比較器５４を含む。そしてこの電位差をフィードバックして電位差をゼロにするように、交流発生器３０が発生交流を調整する。

図５(Ｂ)に示すように、電極２２の電位の振幅情報のみをフィードバックする。そして、電圧ゲイン制御アンプ(ＶＧＡ)を用いて基準電位発生器５２の出力波形Ｖs(0)の振幅を比較器５４の出力(フィードバック量)によって加減する。そして、電圧ゲイン制御アンプ(ＶＧＡ)の出力を電圧／電流変換回路を通して交流電流Ｉｓ(ｘ)を発生させる。

本実施形態のように構成しても、電源を投入してから所定時間経過後(フィードバックが収束完了後)は、各電極２２は基準電位発生器５２の出力電位に常に制御される。これによってセパレータの面内抵抗Ｒｐの両端電位差がゼロに保たれ、面内抵抗Ｒｐには電流が流れない。すなわちセパレータ１２の面内方向に電流が分流してしまうことを防止できる。

また基準電位発生器５２の出力波形Ｖs(0)と同位相の交流電流が発生するので、振幅情報だけを出力波形Ｖs(0)に一致させればよい。したがって本実施形態によれば少ない回路素子で交流電流を精緻に制御できるのである。

また基準電位発生器５２に周波数掃引機能を設け、交流波形の周波数を所定の範囲で掃引することで、抵抗分布検知対象セル１０の交流インピーダンスを測定することもできる。そして測定された交流インピーダンスから、抵抗分布検知対象セル１０の抵抗(イオン+電子移動抵抗)に加えて電解質膜の電気化学界面での電荷移動抵抗を導き出すことができる。この電荷移動抵抗は電気化学的な反応の状態を示すので、この電荷移動抵抗から抵抗分布検知対象セル１０の面内における反応ガスの供給状態を分布として推定することも可能となる。さらにはこの反応ガス供給状態推定に基づいて反応ガス供給量などを制御することで燃料電池の発電効率を向上させることが可能になる。

（電極プレートの内部構造）
図６は電極プレートの内部構造を示す図である。

ベースプレート２１は、片面(図６では底面)に電極２２が形成されており、その反対面(図６では天面)には背面電極２４が形成され、電極２２と背面電極２４とは導電体２５で接続されている。この導電体２５は抵抗分布検知対象セル１０を含む発電電流を貫通させるものである。導電体２５は、最大貫通電流容量に応じた本数で電極２２と背面電極２４とを接続する。また交流発生器(交流発生回路)３０は、ベースプレート２１の電極２２の背面に内蔵されている。このような構造の電極プレート２０は、多層プリント基板の製造プロセスによって製造することができる。

交流発生器３０を内蔵することで、外部配線を無くして、抵抗分布検知対象セル１０及び他の発電セルと同一サイズになり、燃料電池スタックの大きさを変えることなく介装することができる。

また電極２２の直下に交流発生器(交流発生回路)３０を形成することで電気ノイズや配線抵抗に起因する検出誤差も少なくできる。

さらに電極２２と背面電極２４とを導電体２５で接続したので、電極プレート２０の表裏面間を発電電流が自在に通電できる。したがって電極プレート２０を燃料電池スタックを任意の場所に積層可能である。したがって燃料電池システムの設計自由度が向上する。

さらにまた複数の電極プレート２０を介装してもよい。このようにすれば、燃料電池スタックの全域の発電セルに対して適切な発電制御を行って常に最大限の発電出力密度を発揮させることも可能になる。

また電極２２は、たとえば４枚などに分割されているが、導電体２５によって背面電極２４と導通されているので、燃料電池スタックの発電電流(直流)の流れを乱すことがなく、電極プレート２０が介在しない本来のスタック発電現象を再現できるのである。

（抵抗分布検出装置を使用する燃料電池システム）
図７は、本発明による抵抗分布検出装置を使用する燃料電池システムを示す図である。

燃料電池システム１００の燃料電池スタック１は、上述した電極プレート２０を含む。

燃料電池システム１００のカソード流路１１０の上流側にはブロア１１１が設けられる。このブロア１１１によって空気(カソードガスＣ)が燃料電池スタック１に供給される。ブロア１１１を制御することでカソードガス流量を調整できる。カソード流路１１０の下流側には排気弁１１２とカソード圧力センサ１１３とが設けられる。排気弁１１２を制御することでカソードガス圧力を調整できる。

燃料電池システム１００のアノード流路１２０の上流側には燃料供給バルブ１２１とアノード圧力センサ１２２とが設けられる。燃料供給バルブ１２１を制御することで発電量を調整できる。アノード流路１２０の下流側には循環ポンプ１２３とパージ弁１２４とが設けられる。循環ポンプ１２３とパージ弁１２４との間から循環流路１２０ａが分岐する。

燃料電池システム１００の冷媒流路１３０の上流側には流量弁１３１が設けられる。流量弁１３１を制御することで冷却量を調整できる。

電流密度分布センサ２０の電流密度分布信号、温度分布信号、カソード圧力信号、アノード圧力信号などに基づいて、ＦＣ運転コントローラ１５０は、ブロア１１１、排気弁１１２、燃料供給バルブ１２１、循環ポンプ１２３、流量弁１３１、電力調整装置１４０などを制御する。なおＦＣ運転コントローラ１５０は、中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１５０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。

図８は、本発明による燃料電池システムの制御内容をまとめた図である。

燃料電池システムは、この図８に示されたような制御を実行する。具体的な内容は、図９以降のフローチャートに沿って説明する。

（ドライアウト回避制御）
図９は、本発明による燃料電池システムのドライアウト回避制御を示すフローチャートである。

ステップＳ１００においてコントローラは、抵抗分布検知対象セルの抵抗値及びその分布を検出する。

ステップＳ２１０においてコントローラは、抵抗値が上昇したか否かを判定する。抵抗値が上昇しなければドライアウトの可能性は高くないので、ステップＳ８００へ処理を移行し通常運転制御を実行する。抵抗値が上昇すればステップＳ２２０へ処理を移行する。

ステップＳ２２０においてコントローラは、検出された抵抗分布が過大であって許容範囲を超えるか否かを判定する。許容範囲を超えればステップＳ２３０へ処理を移行した後、ステップＳ２４０へ処理を移行する。許容範囲を超えなければ、ステップＳ２４０へ処理を直接移行する。

ステップＳ２３０においてコントローラは、出力制限フラグをセットする。

ステップＳ２４０においてコントローラは、ドライアウト回避制御を実行する。

図１０は、ドライアウト回避制御のサブルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ２４１においてコントローラは、流量弁１３１を開く。すると冷却水の流量が増加し、セル温度が低下する。

ステップＳ２４２においてコントローラは、加湿器の加湿量をアップする。するとカソードガスの加湿量が上昇し高加湿状態になる。

ステップＳ２４３においてコントローラは、出力制限フラグがセットされているか否かを判定する。セットされていればステップＳ２４４へ処理を移行し、セットされていなければステップＳ２４５へ処理を移行する。

ステップＳ２４４においてコントローラは、出力を制限する。

ステップＳ２４５においてコントローラは、燃料供給バルブ１２１を開き、ブロア１１１の回転をアップする。するとアノードガス及びカソードガスの流量が増大する。

ステップＳ２４６においてコントローラは、電力調整装置１４０の出力を増大する。すると発電量が増加する。そして生成水及び高加湿により電解質膜が湿潤しドライアウトを回避できる。

（フラッディング回避制御）
図１１は、本発明による燃料電池システムのフラッディング回避制御を示すフローチャートである。

ステップＳ１００においてコントローラは、抵抗分布検知対象セルの抵抗値及びその分布を検出する。

ステップＳ３１０においてコントローラは、抵抗値が低下したか否かを判定する。抵抗値が低下しなければフラッディングの可能性は高くないので、ステップＳ８００へ処理を移行し通常運転制御を実行する。抵抗値が低下すればステップＳ３２０へ処理を移行する。

ステップＳ３２０においてコントローラは、検出された抵抗分布が過大であって許容範囲を超えるか否かを判定する。許容範囲を超えればステップＳ３３０へ処理を移行した後、ステップＳ３４０へ処理を移行する。許容範囲を超えなければ、ステップＳ３４０へ処理を直接移行する。

ステップＳ３３０においてコントローラは、出力制限フラグをセットする。

ステップＳ３４０においてコントローラは、フラッディング回避制御を実行する。

図１２は、フラッディング回避制御のサブルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ３４１においてコントローラは、加湿器の加湿量を減少させる。または既にフラッディング状態を示す抵抗値／分布を検出した場合は加湿器をバイパスさせて乾燥したカソードガスをスタックへ供給する。これによりセル内の露点が降下し乾燥状態になる。

ステップＳ３４２においてコントローラは、流量弁１３１を閉じる。すると冷却水の流量が減少し、セル温度が上昇する。

ステップＳ３４３においてコントローラは、出力制限フラグがセットされているか否かを判定する。セットされていればステップＳ３４４へ処理を移行し、セットされていなければステップＳ３４６へ処理を移行する。

ステップＳ３４４においてコントローラは、パージする。

ステップＳ３４５においてコントローラは、出力を制限する。

ステップＳ３４６においてコントローラは、循環ポンプ１２３及びブロア１１１の回転をアップする。するとアノードガス及びカソードガスの流量が増大し、ガス流速が増してセル内の排水性が促進される。

ステップＳ３４７においてコントローラは、電力調整装置１４０の出力を増大する。すると発電量が増加する。そしてセル温度上昇と供給ガス乾燥との相乗効果によって電解質膜が乾燥しフラッディングを回避できる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえばベースプレートの片面に形成される電極は、上記実施形態においては、電極２２−１，電極２２−２，電極２２−３及び電極２２−４の４枚である場合を一例として示したが、２枚若しくは３枚であっても又は５枚以上であってもよい。要求される精度や製造コストなどを勘案して適宜設定すればよい。

本発明による抵抗分布検出装置を使用する燃料電池を示す図である。 抵抗分布検出装置の主要構成をモデル化した図である。 本実施形態の効果を説明する図である。 本発明による抵抗分布検出装置の第２実施形態を示すモデル回路図である。 本発明による抵抗分布検出装置の第３実施形態を示すモデル回路図である。 電極プレートの内部構造を示す図である。 本発明による抵抗分布検出装置を使用する燃料電池システムを示す図である。 本発明による燃料電池システムの制御内容をまとめた図である。 本発明による燃料電池システムのドライアウト回避制御を示すフローチャートである。 ドライアウト回避制御のサブルーチンを示すフローチャートである。 本発明による燃料電池システムのフラッディング回避制御を示すフローチャートである。 フラッディング回避制御のサブルーチンを示すフローチャートである。 解決課題を説明するためのモデルを示した図である。 解決課題を説明する図である。

符号の説明

１０ 抵抗分布検知対象セル
２０ 電極プレート
２１ ベースプレート
２２ 電極
３０ 交流制御器
５１ 検出器
５２ 基準電位発生器
５３ 比較器(隣設電極比較器)
５４ 比較器(基準比較器)
７０ コントローラ(抵抗算出手段)

Claims (6)

1. 燃料電池スタックに介装され、抵抗分布検知対象セルの抵抗分布を検知する抵抗分布検出装置であって、
   電気絶縁性のベースプレートの表面に形成されて前記抵抗分布検知対象セルに当接する複数の電極を含む電極プレートと、
   前記複数の電極のそれぞれの電位が同電位になるように交流を流す交流制御器と、
   前記複数の電極に流された交流に基づいて各電極に当接する領域毎の抵抗値を算出する抵抗算出手段と、
   を備えることを特徴とする抵抗分布検出装置。
2. 請求項１に記載の抵抗分布検出装置において、
   前記複数の電極のそれぞれの電位を検出する電位検出手段を有し、
   前記交流制御器は、検出した各電位をフィードバックして各電極の電位が同電位になるように交流を流す、
   ことを特徴とする抵抗分布検出装置。
3. 請求項１に記載の抵抗分布検出装置において、
   前記複数の電極のうち隣設する電極間の電位差を検出する隣設電極比較器を有し、
   前記交流制御器は、前記隣設電極間電位差をフィードバックして隣設する電極の電位が同電位になるように交流を流す、
   ことを特徴とする抵抗分布検出装置。
4. 請求項１に記載の抵抗分布検出装置において、
   基準電位と各電極との電位差を検出する基準比較器を有し、
   前記交流制御器は、前記基準との電位差をフィードバックして各電極の電位が同電位になるように交流を流す、
   ことを特徴とする抵抗分布検出装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の抵抗分布検出装置において、
   前記電極プレートは、
   前記電極の配置面とは反対面に配置された背面電極と、
   前記電極と前記背面電極とを接続する導電体と、を含む、
   ことを特徴とする抵抗分布検出装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の抵抗分布検出装置を使用する燃料電池システムにおいて、
   検出された抵抗値及び抵抗分布が目標通りになるように燃料電池の電解質膜の含水量を制御する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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