JP5811958B2 - 乾湿指標測定装置、および燃料電池診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を構成する単位セルの局所部位におけるインピーダンスに基づいて、単位セルの内部の乾湿指標を測定する乾湿指標測定装置、および単位セルの内部の乾湿指標に基づいて単位セルの内部の乾湿状態を診断する燃料電池診断装置に関する。

従来、燃料電池を効率良く運転させるために、燃料電池のインピーダンスから燃料電池内の含水量を把握し、燃料電池内の含水量を最適に制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、燃料電池内の含水量が不足気味となると、電解質膜よりも外側に位置する触媒層から乾燥が進行することに着眼し、触媒層の抵抗変化を単位セルの内部の乾湿状態を示す乾湿指標として測定し、当該乾湿指標に基づいて燃料電池内の乾湿状態を診断するようにしている。

具体的には、高周波域における燃料電池のインピーダンスを電解質膜の膜抵抗に対応する第１のインピーダンスとして算出すると共に、低周波領域における燃料電池のインピーダンスを電解質膜の膜抵抗および触媒層の抵抗に対応する第２のインピーダンスとして算出し、各インピーダンスの差分から触媒層の抵抗を算出している。

特許第４６４０６６１号公報

ところで、高周波域のうち２０ｋＨｚよりも低い周波数の交流信号を燃料電池の出力電流に重畳させた際の燃料電池のインピーダンスには、電解質膜の膜抵抗以外にも触媒層の抵抗成分が含まれる傾向がある。

それ故、燃料電池のインピーダンスから電解質膜の膜抵抗に対応する第１のインピーダンスを精度よく算出するためには、少なくとも２０ｋＨｚ以上（望ましくは１００ｋＨｚ付近）の高周波数の交流信号を燃料電池の出力電流に重畳する必要がある。

しかし、特許文献１では、１ｋＨｚ付近の高周波数の交流信号を燃料電池の出力電流に重畳させた際の燃料電池のインピーダンスを電解質膜の膜抵抗に対応する第１のインピーダンスとしており、第１のインピーダンスに触媒層の抵抗成分が含まれている可能性が高い。つまり、特許文献１に記載の構成では、電解質膜の膜抵抗に対応する第１のインピーダンスの算出精度が悪く、燃料電池内部の乾湿状態を診断する際に用いる乾湿指標を正確に測定することができないといった課題がある。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池を構成する単位セルの内部の乾湿状態を示す乾湿指標を精度よく測定可能な乾湿指標測定装置、および燃料電池診断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者らは鋭意検討を重ねた。この結果、燃料電池（１）の出力電流に付加する交流信号の周波数を変更した際のインピーダンスの実数部および虚数部を複素平面上に示した特性図（コールコールプロット）において、高周波域内に表れる直線部分が単位セル（１０）の内部の乾湿状態に相関して変化することを見出し、当該直線部分に対応するインピーダンスから単位セル（１０）の内部の乾湿状態を示す乾湿指標を測定する構成を案出した。

請求項１から４に係る発明は、電解質膜（１００ａ）の両面を一対の触媒層（１００ｂ、１００ｃ）で挟んだ膜電極接合体（１００）を有し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する単位セル（１０）を備える燃料電池（１）に適用され、単位セルの内部の乾湿状態を示す乾湿指標を測定する乾湿指標測定装置を対象としている。

請求項１および請求項３に記載の発明では、単位セルの局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４１）と、単位セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段（４２）と、予め定めた高周波域内の交流信号を燃料電池の出力電流に付加する信号付加手段（４３１）と、交流信号が燃料電池の出力電流に付加された際のセル電圧および局所電流から単位セルの局所部位における局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（４３２）と、局所インピーダンスから乾湿指標を算出する乾湿指標算出手段（４３３）とを備える。そして、高周波域は、燃料電池の出力電流に付加する交流信号の周波数を増加させた際に、局所インピーダンスの実数部の減少に対して虚数部が直線的に減少する直線領域内に設定されており、乾湿指標算出手段は、局所インピーダンスの虚数部を用いて触媒層における乾湿指標を算出することを特徴としている。

これによれば、燃料電池の出力電流に付加する交流信号の周波数を、単位セルの内部の乾湿状態に相関して変化する高周波域における直線領域内に設定すると共に、電解質膜の乾湿状態が影響しない局所インピーダンスの虚数部を用いて触媒層における乾湿指標を算出する構成としているので、触媒層における乾湿状態を示す乾湿指標を精度よく測定することができる。

また、請求項３および請求項４に記載の発明では、単位セルの局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４１）と、単位セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段（４２）と、予め定めた高周波域内の交流信号を燃料電池の出力電流に付加する信号付加手段（４３１）と、交流信号が燃料電池の出力電流に付加された際のセル電圧および局所電流から単位セルの局所部位における局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（４３２）と、局所インピーダンスから乾湿指標を算出する乾湿指標算出手段（４３３）と、を備える。そして、高周波域は、燃料電池の出力電流に付加する交流信号の周波数を増加させた際に、局所インピーダンスの実数部の減少に対して虚数部が直線的に減少する直線領域内に設定されており、信号付加手段は、高周波域内における異なる周波数の交流信号を燃料電池の出力電流に付加可能に構成され、インピーダンス算出手段は、異なる周波数の交流信号が燃料電池の出力電流に付加された際に、異なる周波数に対応する局所インピーダンスを個別に算出するように構成され、乾湿指標算出手段は、異なる周波数毎に算出された局所インピーダンスの実数部および虚数部から電解質膜の膜抵抗を求め、膜抵抗を電解質膜の乾湿指標として算出することを特徴としている。

これによれば、燃料電池の出力電流に付加する交流信号の周波数を、単位セルの内部の乾湿状態に相関して変化する高周波域における直線領域内に設定すると共に、触媒層の乾湿状態、および電解質膜の乾湿状態それぞれが影響する局所インピーダンスの実数部および虚数部から電解質膜の膜抵抗を求め、当該膜抵抗を電解質膜における乾湿指標として算出する構成としているので、電解質膜における乾湿状態を示す乾湿指標を精度よく測定することができる。

なお、電解質膜の膜抵抗は、燃料電池の出力電流に付加する交流信号の周波数を低周波から高周波へ変更した際のインピーダンスの実数部の収束値として特定することができることから、高周波域の直線領域における異なる局所インピーダンスの実数部および虚数部を算出すれば、外挿法によって電解質膜の膜抵抗を求めることができる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の乾湿指標測定装置と、乾湿指標測定装置にて測定された乾湿指標を用いて単位セルの内部の乾湿状態を診断する診断手段（４３４）と、を備えることを特徴としている。

これによれば、乾湿指標測定装置にて測定された乾湿指標を用いて、単位セルの内部の乾湿状態を診断することで、単位セルの内部における乾湿状態の診断精度の向上を図ることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態に係る燃料電池診断装置を備える燃料電池システムの全体構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 第１実施形態に係る単位セルの模式的な断面図である。 第１実施形態に係る単位セルの内部構造を示す模式図である。 単位セルの等価回路の一例を示す回路図である。 信号付加部にて燃料電池の出力電流に付加する交流信号を説明するための説明図である。 交流信号の周波数を変化させた際のインピーダンスを複素平面上に示した特性図である。 単位セル内部の乾湿状態を変化させた際の高周波域内におけるインピーダンスの変化を説明するための説明図である。 冷却水温度を変化させることにより単位セル内部の乾湿状態を変化させた際の単位セルのセル電圧および局所インピーダンスの虚数部の変化を示す特性図である。 単位セルにおける局所インピーダンスの検出領域を説明するための説明図である。 第１実施形態に係る燃料電池診断装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。 単位セル内部の乾湿状態を変化させた際の触媒層におけるアイオノマー抵抗の実測値と、乾湿指標算出部の算出値との関係を示す特性図である。 第２実施形態に係る燃料電池診断装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。 第３実施形態に係る乾湿指標算出部における電解質膜の膜抵抗の算出処理を説明するための説明図である。 第３実施形態に係る燃料電池診断装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本実施形態の燃料電池診断装置４は、電気自動車の一種である燃料電池車両の燃料電池システムに適用されて、車両に搭載された燃料電池１の単位セル１０内部の乾湿状態を診断するものである。

燃料電池１は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電気エネルギを出力するものである。本実施形態では、燃料電池１として固体高分子型燃料電池を採用している。

図１の全体構成図に示すように、本実施形態の燃料電池１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して主に車両走行用電動モータや二次電池といった電気負荷（図示略）に電力を供給するように構成されている。

図２に示すように、燃料電池１は、基本単位となる単位セル１０が複数積層されたスタック構造であり、各単位セル１０を電気的に直列接続した直列接続体として構成されている。なお、図２では、燃料電池１の内部構造を示すために、燃料電池１を構成する単位セル１０の一部を透視図で示している。

各単位セル１０は、図３の断面図に示すように、固体高分子からなる電解質膜１００ａの両面を一対の触媒層１００ｂ、１００ｃで挟んだ膜電極接合体１００、および膜電極接合体１００を挟持する一対のセパレータ１０１、１０２で構成されている。

具体的には、各触媒層１００ｂ、１００ｃは、図４の模式図に示すように、それぞれ触媒作用を発揮する物質（例えば、白金粒子）１００ｄ、当該物質１００ｄを担持する担持カーボン１００ｅ、担持カーボン１００ｅを被覆するアイオノマー（電解質ポリマー）１００ｆで構成されている。

また、一対のセパレータ１０１、１０２のうち、アノード電極を構成するアノード側触媒層１００ｂに対向するセパレータ１０１には、燃料ガス（本例では水素）が流れる水素流路１０１ａが形成されている。

そして、一対のセパレータ１０１、１０２のうち、カソード電極を構成するカソード側触媒層１００ｃに対向するセパレータ１０２には、酸化剤ガス（本例では空気）が流れる空気流路１０２ａが形成されている。

本実施形態の各セパレータ１０１、１０２には、単位セル１０内部における水素の流れと空気の流れが対向流となるように水素流路１０１ａおよび空気流路１０２ａが形成されている。

各単位セル１０は、水素および空気が供給されると、以下に示すように、水素および酸素といった反応ガスの電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
（アノード電極）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（カソード電極）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
ここで、図５は、本実施形態に係る単位セル１０の等価回路の一例を示す回路図である。本実施形態では、図５に示すように、単位セル１０の等価回路を、電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐ、アノード側触媒層１００ｂの反応抵抗Ｒａ（Ｉ）、拡散インピーダンスＺａ、アイオノマー抵抗Ｒａｉ、電気二重層容量Ｃａ、およびカソード側触媒層１００ｃの反応抵抗Ｒｃ（Ｉ）、拡散インピーダンスＺｃ、アイオノマー抵抗Ｒｃｉ、電気二重層容量Ｃｃにより表現している。

電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐは、単位セル１０内部の乾燥に伴い抵抗値が上昇するといったように、単位セル１０の内部の乾湿状態に相関して変化する成分である。

また、各触媒層１００ｂ、１００ｃの反応抵抗Ｒａ（Ｉ）、Ｒｃ（Ｉ）は、燃料電池１からの出力電流（直流成分Ｉ）に応じて非線形に変化する成分であり、各拡散インピーダンスＺａ、Ｚｃは、反応ガスの過不足に応じて変化する成分である。

各触媒層１００ｂ、１００ｃのアイオノマー抵抗Ｒａｉ、Ｒｃｉは、電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐと同様に、単位セル１０内部の乾燥に伴い抵抗値が上昇するといったように、単位セル１０の内部の乾湿状態に相関して変化する成分である。なお、各触媒層１００ｂ、１００ｃは、電解質膜１００ａよりも各流路１０１ａ、１０２ａの近くに位置する関係上、単位セル１０内部が乾燥した際に、電解質膜１００ａよりも先に乾燥する傾向がある。

図１に戻り、燃料電池１は、双方向に電力供給可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して、各種電気負荷に電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、燃料電池１から各種電気負荷、あるいは、各種電気負荷から燃料電池１への電力の流れを制御するものである。

また、各単位セル１０のうち、乾湿状態を診断する単位セル１０（以下、診断セル１０と称する。）には、診断セル１０の乾湿状態を診断する燃料電池診断装置４が接続されている。なお、燃料電池診断装置４については後述する。

燃料電池１には、空気を供給する空気供給配管２０、および燃料電池１からの排出空気を外部へ排出する空気排出配管２１が接続されている。

空気供給配管２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２２が設けられ、空気排出配管２１には、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。なお、本実施形態では、空気ポンプ２２および空気調圧弁２３によって、所定の流量および圧力の空気を燃料電池１に供給する空気供給手段が構成される。

また、燃料電池１には、水素を供給する水素供給配管３０、および燃料電池１にて電気化学反応を終えた微量な水素等を外部へ排出する水素排出配管３１が接続されている。

水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３２が設けられ、水素供給配管３０における高圧水素タンク３２と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３３が設けられている。なお、本実施形態では、この水素調圧弁３３によって、所望の圧力の水素を燃料電池１に供給する水素供給手段が構成される。また、水素排出配管３１には、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。

燃料電池システムには、各種制御を行う発電制御手段としての制御装置５が設けられている。この制御装置５は、各種入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。

本実施形態の制御装置５の入力側には、燃料電池診断装置４、燃料電池１の運転開始を指示する起動スイッチ（図示略）等が接続されており、燃料電池診断装置４、起動スイッチ等からの出力信号が入力される。

一方、制御装置５の出力側には、上述の空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、電磁弁３４といった各種電気式アクチュエータ等が接続されており、これら制御機器が制御装置５からの制御信号により制御される。

次に、本実施形態の燃料電池診断装置４について説明する。本実施形態の燃料電池診断装置４は、図２に示すように、局所電流測定部４１、セル電圧センサ４２、および信号処理装置４３を備えている。

局所電流測定部４１は、診断セル１０に設定された局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段である。本実施形態の局所電流測定部４１は、診断セル１０に隣接して配置された測定板４１１、診断セル１０の各局所部位に流れる電流を検出する複数の電流センサ４１２を有しており、診断セル１０における各局所部位における電流分布を測定可能に構成されている。なお、電流センサ４１２としては、シャント抵抗を用いたセンサやホール素子を用いたセンサ等を採用することができる。

セル電圧センサ４２は、診断セル１０のセル電圧を検出するセル電圧検出手段である。なお、局所電流測定部４１、およびセル電圧センサ４２は、それぞれ信号処理装置４３に接続されており、局所電流測定部４１、およびセル電圧センサ４２からの各出力信号が信号処理装置４３に入力される。

信号処理装置４３は、各種入力信号に基づいて、制御処理や演算処理を実行するものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。

本実施形態の信号処理装置４３は、信号付加部４３１、インピーダンス算出部４３２、乾湿指標算出部４３３、診断部４３４といった構成（ソフトウェアおよびハードウェア）を備えている。

信号付加部４３１は、図６に示すように、燃料電池１の出力電流（直流成分Ｉ）に対して予め定めた高周波域内の交流信号（交流成分ΔＩ）を付加（重畳）する信号付加手段を構成している。なお、信号付加部４３１にて付加する交流信号は、燃料電池１の発電状態への影響を考慮して、燃料電池１の出力電流の１０％以内としている。

ここで、信号付加部４３１にて燃料電池１の出力電流に付加する交流信号の周波数について図７、図８を用いて説明する。

図７は、図５に示す等価回路において、燃料電池１の出力電流に付加する交流信号の周波数を低周波から高周波へ変化させた際の診断セル１０におけるインピーダンスの実数部Ｒｅ（Ｚ）および虚数部Ｉｍ（Ｚ）を複素平面上に示した特性図（コールコールプロット）である。

図７の特性図に示すように、高周波域内には、所定の周波数以上（本例では１ｋＨｚ以上）の周波数領域にてインピーダンスが実数部の減少に対して虚数部が直線的に減少する直線領域Ａが表れる。この直線領域Ａ内におけるインピーダンスは、単位セル１０内部の乾湿状態に相関して変化する傾向がある。以下、この点について説明する。

図８は、単位セル１０内部の乾湿状態を変化させた際の高周波域内におけるインピーダンスの変化を説明するための説明図である。本例では、燃料電池１へ供給する反応ガスの加湿量を変更して、単位セル１０内部の相対湿度を変化させることで、単位セル１０内部の乾湿状態を変化させている。

また、図８では、単位セル１０内部の相対湿度を７０％ＲＨとした際のインピーダンスを丸プロット、相対湿度を６０％ＲＨとした際のインピーダンスを四角プロット、相対湿度を５０％ＲＨとした際のインピーダンスを三角プロット、相対湿度を３５％ＲＨとした際のインピーダンスを菱形プロット、相対湿度を２０％ＲＨとした際のインピーダンスを五角プロットで示している。なお、図８の黒丸プロットは、単位セル１０内部の相対湿度を７０％ＲＨ、交流信号の周波数を１ｋＨｚとした際のインピーダンスを示し、黒五角プロットは、単位セル１０内部の相対湿度を２０％ＲＨ、交流信号の周波数を１ｋＨｚとした際のインピーダンスを示している。

図８に示すように、インピーダンスの実数部の減少に対して虚数部が直線的に減少する直線領域が、単位セル１０内部の相対湿度の低下に伴って相似的に延長される傾向がある。例えば、相対湿度を２０％ＲＨとした際のインピーダンスは、相対湿度を７５％ＲＨとした際よりも直線領域が延長されていることがわかる。つまり、直線領域内におけるインピーダンスが単位セル１０内部の乾湿状態に相関して変化していることがわかる。

そこで、本実施形態では、信号付加部４３１にて燃料電池１の出力電流に付加する交流信号の周波数を、単位セル１０の乾湿状態に相関して変化する直線領域内（本例では１ｋＨｚ）に設定している。

続いて、インピーダンス算出部４３２は、信号付加部４３１にて燃料電池１の出力電流に交流信号を付加した際の局所電流測定部４１、およびセル電圧センサ４２の検出値から単位セル１０の局所部位における局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段を構成している。本実施形態のインピーダンス算出部４３２は、例えば、高速フーリエ変換処理等によって、交流信号の周波数に対応する局所インピーダンスを算出可能となっている。

乾湿指標算出部４３３は、インピーダンス算出部４３２にて算出した局所インピーダンスから診断セル１０内部の乾湿状態を示す乾湿指標を算出する乾湿指標算出手段を構成している。

本実施形態の乾湿指標算出部４３３は、局所インピーダンスの虚数部が電解質膜１００ａの乾湿状態に影響しないことに鑑みて、図８の特性図における直線領域内の局所インピーダンスの虚数部Ｉｍ（Ｚ）を各触媒層１００ｂ、１００ｃの乾湿指標として算出している。なお、局所インピーダンスの虚数部Ｉｍ（Ｚ）は、図８の黒丸プロットおよび黒五角プロットに示すように、単位セル１０内部の相対湿度の低下に伴って増加する傾向がある。

続いて、診断部４３４は、乾湿指標算出部４３３にて算出した乾湿指標を用いて、診断セル１０内部の乾湿状態を診断する診断手段を構成している。なお、本実施形態では、乾湿指標算出部４３３にて各触媒層１００ｂ、１００ｃの乾湿指標を算出することから、診断部４３４では、診断セル１０内部の各触媒層１００ｂ、１００ｃの乾湿状態を診断することとなる。

ここで、図９は、燃料電池１内部の乾湿状態を変化させた際の単位セル１０におけるセル電圧の変化、および１ｋＨｚの交流信号を付加した際の単位セル１０における局所インピーダンスの虚数部の変化を示す特性図である。本例では、燃料電池１を温度調整する冷却水の温度を低温から高温へ変化させることで燃料電池１内部を湿潤状態から乾燥状態へと変化させている。なお、図９に示す局所インピーダンスの虚数部Ｉｍ（Ｚ）は、図１０に示すように、単位セル１０における発電領域のうち、空気入口部からの距離が５〜１３％の範囲に対応する検知領域の局所インピーダンスの虚数部を示している。

図９に示すように、冷却水の温度を低温域（３５℃付近）に調整すると、燃料電池１内部は水分過多（湿潤状態）となり、セル電圧が低電圧のまま変化せず、局所インピーダンスの虚数部は実質的に「ゼロ」となる。なお、燃料電池１内部が水分過多であると、当該水分によって単位セル１０における反応ガスの拡散が阻害されるため、セル電圧が低電圧となる。

この状態から冷却水の温度を低温域（３５℃付近）から高温域（９０℃付近）へと徐々に上昇させると、燃料電池１内部の水分量が適正状態（湿潤状態）となり、燃料電池１内部の水分によって単位セル１０における反応ガスの拡散阻害が殆ど無くなるため、セル電圧が徐々に上昇する一方で、局所インピーダンスの虚数部は殆ど変化せず、実質的に「ゼロ」に維持される。

そして、冷却水の温度を高温域（９０℃付近）に維持すると、燃料電池１内部の水分が減少して乾燥状態となり、セル電圧が徐々に低下する一方で、局所インピーダンスの虚数部（絶対値）が急激に増加する。

このように、局所インピーダンスの虚数部（絶対値）は、単位セル１０の内部の乾湿状態が乾燥状態となった際に、急激に上昇する傾向がある。このため、本実施形態の診断部４３４は、局所インピーダンスの虚数部の変化に基づいて診断セル１０の乾湿状態を診断するようにしている。

なお、本実施形態では、燃料電池診断装置４の構成要素のうち、局所電流測定部４１、セル電圧センサ４２、信号処理装置４３の信号付加部４３１、インピーダンス算出部４３２、乾湿指標算出部４３３といった構成が、診断セル１０の乾湿状態を示す乾湿指標を測定する乾湿指標測定装置を構成している。従って、燃料電池診断装置４は、乾湿指標測定装置、および信号処理装置４３の診断部４３４を備える装置と解釈することができる。

次に、上記構成に係る本実施形態の燃料電池診断装置４の作動を図１１のフローチャートを用いて説明する。図１１の制御フローは、起動スイッチが投入され、燃料電池１が発電状態となるとスタートする。

図１１に示すように、まず、信号処理装置４３の信号付加部４３１にて燃料電池１の出力電流に、予め定めた高周波域内（直線領域内）の周波数（本例では１ｋＨｚ）の交流信号を付加する（Ｓ１０）。

続いて、信号付加部４３１にて交流信号を付加した際の局所電流測定部４１の各電流センサ４１２、およびセル電圧センサ４２の出力信号（検出値）を読み込む（Ｓ２０）。そして、信号処理装置４３のインピーダンス算出部４３２にて、診断セル１０の局所部位における局所インピーダンスを算出する（Ｓ３０）。

続いて、信号処理装置４３の乾湿指標算出部４３３にて、インピーダンス算出部４３２で算出した局所インピーダンスから診断セル１０の乾湿状態を示す乾湿指標を算出する（Ｓ４０）。本実施形態の乾湿指標算出部４３３では、局所インピーダンスの虚数部の絶対値を、各触媒層１００ｂ、１００ｃの乾湿指標として算出する。

続いて、信号処理装置４３の診断部４３４にて、乾湿指標算出部４３３で算出した乾湿指標に基づいて、診断セル１０の乾湿状態を診断する（Ｓ５０）。本実施形態の診断部４３４では、局所インピーダンスの虚数部Ｉｍ（Ｚ）の絶対値Ａｂｓ｛Ｉｍ（Ｚ）｝が、予め定めた第１判定閾値を上回っているか否かを判定する。

ステップ５０の処理にて、局所インピーダンスの虚数部Ｉｍ（Ｚ）の絶対値Ａｂｓ｛Ｉｍ（Ｚ）｝が、第１判定閾値未満と判定された場合には、診断セル１０内部が乾燥していない湿潤状態と判定し（Ｓ６０）、その判定結果を制御装置５に出力して制御処理を終了する。

一方、ステップ５０の処理にて、局所インピーダンスの虚数部Ｉｍ（Ｚ）の絶対値Ａｂｓ｛Ｉｍ（Ｚ）｝が、第１判定閾値以上と判定された場合には、診断セル１０内部が乾燥している乾燥状態と判定し（Ｓ７０）、その判定結果を制御装置５に出力して制御処理を終了する。この際、診断セル１０内部の乾湿状態を適正状態にするために、制御装置５において、反応ガスへの加湿量を増加させたり、燃料電池１の温度を低下させたりしてもよい。また、制御装置５において、診断部４３４にて診断セル１０内部が乾燥している旨を乗員や保守作業者等へ報知するようにしてもよい。

以上説明した本実施形態の燃料電池診断装置４では、信号処理装置４３の信号付加部４３１にて、燃料電池１の出力電流に付加する交流信号の周波数域を、単位セル１０の内部の乾湿状態に相関して変化する高周波域における直線領域内に設定している。さらに、乾湿指標算出部４３３にて、電解質膜１００ａの乾湿状態が影響しない局所インピーダンスの虚数部を乾湿指標として算出する構成としているので、触媒層１００ｂ、１００ｃにおける乾湿状態を示す乾湿指標を精度よく測定することができる。

さらに、燃料電池診断装置４を構成する乾湿指標測定装置にて測定された乾湿指標を用いて、単位セル１０の触媒層１００ｂ、１００ｃの乾湿状態を診断するので、単位セル１０の内部における乾湿状態の診断精度の向上を図ることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態では、燃料電池診断装置４にて、局所インピーダンスの虚数部から触媒層１００ｂ、１００ｃのアイオノマー抵抗Ｒａｉ、Ｒｃｉの合算値Ｒｓｕｍを求め、当該アイオノマー抵抗の合算値に基づいて診断セル１０内部の乾湿状態を診断する点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

各触媒層１００ｂ、１００ｃのアイオノマー抵抗は、各触媒層１００ｂ、１００ｃの乾燥に伴い抵抗値が上昇するといったように、各触媒層１００ｂ、１００ｃの乾湿状態に相関して変化する成分である。

そこで、本実施形態の乾湿指標算出部４３３は、インピーダンス算出部４３２にて算出した局所インピーダンスの虚数部から各触媒層１００ｂ、１００ｃのアイオノマー抵抗の合算値Ｒｓｕｍを乾湿指標として算出する。本実施形態では、以下の数式Ｆ１、Ｆ２を用いてアイオノマー抵抗の合算値を算出している。
Ｒｓｕｍ＝Σ（Ｒａｉ＋Ｒｃｉ）＝２ω｛Ｉｍ（Ｚ）^２｝Ｃ…（Ｆ１）
１／Ｃ＝１／Ｃａ＋１／Ｃｃ…（Ｆ２）
但し、ωは、信号付加部４３１にて付加する交流信号の角周波数、Ｃは、各触媒層１００ｂ、１００ｃの電気二重層容量Ｃａ、Ｃｃの直列容量を示している。

ここで、図１２は、単位セル１０内部の乾湿状態を変化させた際の各触媒層１００ｂ、１００ｃのアイオノマー抵抗の実測値と、乾湿指標算出部４３３の算出値との関係を示す特性図である。図１２に示す実線部は、触媒層１００ｂ、１００ｃにおけるアイオノマー抵抗の実測値（真値）であり、破線部は、本実施形態の乾湿指標算出部４３３にて算出したアイオノマー抵抗の合算値Ｒｓｕｍである。なお、図１２に示す各プロットは、第１実施形態で説明した図８に示す各プロットに対応している。

図１２に示すように、乾湿指標算出部４３３の算出値は、触媒層１００ｂ、１００ｃにおけるアイオノマー抵抗の実測値（真値）と同様に、単位セル１０内部の相対湿度の低下に伴って増加していることがわかる。

次に、本実施形態の燃料電池診断装置４の作動を図１３のフローチャートを用いて説明する。図１３に示すように、ステップＳ３０にて診断セル１０の局所インピーダンスを算出した後、乾湿指標算出部４３３にて、診断セル１０の乾湿状態を示す乾湿指標を算出する（Ｓ８０）。

本実施形態の乾湿指標算出部４３３では、局所インピーダンスの虚数部を前述の数式Ｆ１に代入して、各触媒層１００ｂ、１００ｃのアイオノマー抵抗の合算値Ｒｓｕｍを乾湿指標として算出する。なお、各触媒層１００ｂ、１００ｃの電気二重層容量Ｃａ、Ｃｃの直列容量Ｃについては、予め実験等により算出した規定値を用いるものとする。

続いて、診断部４３４にて、アイオノマー抵抗の合算値Ｒｓｕｍが予め定めた第２判定閾値を上回っているか否かを判定する（Ｓ９０）。この結果、アイオノマー抵抗の合算値が、第２判定閾値未満と判定された場合には、診断セル１０内部が乾燥していない湿潤状態と判定し（Ｓ６０）、第２判定閾値以上と判定された場合には、診断セル１０内部が乾燥している乾燥状態と判定する（Ｓ７０）。

燃料電池診断装置４における他の構成および制御処理については、第１実施形態と同様である。従って、本実施形態の燃料電池診断装置４によれば、第１実施形態と同様に、触媒層１００ｂ、１００ｃにおける乾湿状態を示す乾湿指標を精度よく測定することができ、単位セル１０の内部における乾湿状態の診断精度の向上を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、乾湿指標算出部４３３にて、電解質膜１００ａの膜抵抗を診断セル１０内の乾湿指標として算出する点が第１、第２実施形態と相違している。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

本実施形態の信号付加部４３１は、高周波域の直線領域内において、異なる複数の周波数の信号を合成した交流信号を燃料電池１の出力信号に付加可能に構成されている。

また、本実施形態のインピーダンス算出部４３２は、信号付加部４３１にて異なる交流信号が付加された際に、異なる周波数それぞれに対応する局所インピーダンスを個別に算出可能に構成されている。具体的には、インピーダンス算出部４３２は、局所電流測定部４１およびセル電圧センサ４２の出力信号から各交流信号の周波数毎に応じた交流成分ΔＩを抽出し、抽出した各交流成分ΔＩから各周波数に対応する局所インピーダンスを個別に算出する。

本実施形態の乾湿指標算出部４３３は、インピーダンス算出部４３２にて異なる周波数毎に算出された局所インピーダンスの実数部および虚数部から電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐを求め、当該膜抵抗Ｒｐを電解質膜１００ａの乾湿指標として算出する。

ここで、電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐは、燃料電池１の出力電流に付加する交流信号の周波数を低周波から高周波へ変更した際のインピーダンスにおける実数部の収束値として捉えることができる。

本実施形態の乾湿指標算出部４３３では、図１４に示すように、インピーダンス算出部４３２にて算出した高い周波数に対応する局所インピーダンスＺ１の実数部および虚数部、低い周波数に対応する局所インピーダンスＺ２の実数部および虚数部を用いて、直線外挿法により局所インピーダンスにおける実数部の収束値を電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐとして算出している。

次に、本実施形態の燃料電池診断装置４の作動を図１５のフローチャートを用いて説明する。図１５に示すように、まず、信号付加部４３１にて燃料電池１の出力電流に、予め定めた高周波域内（直線領域内）の異なる周波数（本例では１ｋＨｚと２ｋＨｚ）を合成した交流信号を付加する（Ｓ１００）。

続いて、局所電流測定部４１の各電流センサ４１２、およびセル電圧センサ４２の出力信号（検出値）を読み込み（Ｓ２０）、信号処理装置４３のインピーダンス算出部４３２にて、各周波数に対応する局所インピーダンスを算出する（Ｓ１１０）。

続いて、乾湿指標算出部４３３にて、インピーダンス算出部４３２で算出した局所インピーダンスの実数部および虚数部の変化量から診断セル１０の電解質膜１００ａの膜抵抗を乾湿指標として算出する（Ｓ１２０）。

続いて、診断部４３４にて、乾湿指標算出部４３３で算出した電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐが、予め定めた第３判定閾値を上回っているか否かを判定する（Ｓ１３０）。

この結果、電解質膜１００ａの膜抵抗が、第３判定閾値未満と判定された場合には、診断セル１０内部が乾燥していない湿潤状態と判定し（Ｓ６０）、第３判定閾値以上と判定された場合には、診断セル１０内部が乾燥している乾燥状態と判定する（Ｓ７０）。

燃料電池診断装置４における他の構成および制御処理については、第１、第２実施形態と同様である。従って、本実施形態の燃料電池診断装置４によれば、電解質膜１００ａにおける乾湿状態を示す乾湿指標を精度よく測定することができ、単位セル１０の内部における乾湿状態の診断精度の向上を図ることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない範囲において、種々変形することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態は、可能な範囲で適宜組み合わせることができる。例えば、乾湿指標算出部４３３にて、各触媒層１００ｂ、１００ｃの乾湿指標である局所インピーダンスの虚数部やアイオノマー抵抗の合算値を算出すると共に、電解質膜１００ａの乾湿指標である膜抵抗を算出するようにしてもよい。

単位セル１０内部の乾湿状態が湿潤状態から乾燥状態を移行する際、各触媒層１００ｂ、１００ｃの方が電解質膜１００ａよりも乾燥し易いことから、各触媒層１００ｂ、１００ｃの乾湿指標、および電解質膜１００ａの乾湿指標の双方を算出することで、単位セル１０内部における乾湿状態の進行状況を把握することが可能となる。

（２）上述の各実施形態では、信号付加部４３１が、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して燃料電池１の出力電流に交流信号を付加する例を説明したが、信号付加部４３１にて燃料電池１の出力電流に交流信号を付加可能であれば他の構成を採用してもよい。

（３）上述の第３実施形態では、燃料電池１の出力電流に異なる周波数の信号を合成した交流信号を付加する例を説明したが、これに限らず、例えば、燃料電池１の出力電流に異なる周波数の交流信号それぞれを異なるタイミングで付加するようにしてもよい。

（４）上述の各実施形態では、測定板４１１および複数の電流センサ４１２を有する局所電流測定部４１を採用する例を説明したが、局所電流測定部４１としては、診断セル１０における少なくとも１つの局所部位に流れる局所電流を検出可能なものであれば適宜採用することができる。

（５）上述の各実施形態では、信号処理装置４３に信号付加部４３１、インピーダンス算出部４３２、乾湿指標算出部４３３、診断部４３４を設ける構成としているが、これに限定されず、例えば、制御装置５にインピーダンス算出部４３２、乾湿指標算出部４３３、診断部４３４を設けてもよい。

（６）上述の各実施形態では、燃料電池車両に搭載された燃料電池１の状態を診断する例を説明したが、これに限定されず、船舶及びポータブル発電器等の移動体や設置型の燃料電池１の状態を診断するようにしてもよい。

１ 燃料電池
１０ 単位セル
１００ 膜電極接合体
１００ａ 電解質膜
１００ｂ アノード側触媒層
１００ｃ カソード側触媒層
４１ 局所電流測定部（局所電流検出手段）
４２ セル電圧センサ（セル電圧検出手段）
４３１ 信号付加部（信号付加手段）
４３２ インピーダンス算出部（インピーダンス算出手段）
４３３ 乾湿指標算出部（乾湿指標算出手段）
４３４ 診断部（診断手段）

Claims (5)

1. 電解質膜（１００ａ）の両面を一対の触媒層（１００ｂ、１００ｃ）で挟んだ膜電極接合体（１００）を有し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する単位セル（１０）を備える燃料電池（１）に適用され、前記単位セルの内部の乾湿状態を示す乾湿指標を測定する乾湿指標測定装置であって、
   前記単位セルの局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４１）と、
   前記単位セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段（４２）と、
   予め定めた高周波域内の交流信号を前記燃料電池の出力電流に付加する信号付加手段（４３１）と、
   前記交流信号が前記燃料電池の出力電流に付加された際の前記セル電圧および前記局所電流から前記単位セルの局所部位における局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（４３２）と、
   前記局所インピーダンスから前記乾湿指標を算出する乾湿指標算出手段（４３３）と、を備え、
   前記高周波域は、前記燃料電池の出力電流に付加する前記交流信号の周波数を増加させた際に、前記局所インピーダンスの実数部の減少に対して虚数部が直線的に減少する直線領域内に設定されており、
   前記触媒層は、少なくとも触媒作用を発揮する物質（１００ｄ）、およびアイオノマー（１００ｆ）を有して構成され、
   前記乾湿指標算出手段は、前記局所インピーダンスの虚数部を用いて前記触媒層の前記アイオノマーの抵抗を求め、前記アイオノマーの抵抗を前記触媒層における前記乾湿指標として算出することを特徴とする乾湿指標測定装置。
2. 前記信号付加手段は、前記高周波域内における異なる周波数の交流信号を前記燃料電池の出力電流に付加可能に構成され、
   前記インピーダンス算出手段は、前記異なる周波数の交流信号が前記燃料電池の出力電流に付加された際に、前記異なる周波数に対応する前記局所インピーダンスを個別に算出するように構成され、
   前記乾湿指標算出手段は、前記異なる周波数毎に算出された前記局所インピーダンスの実数部および虚数部から前記電解質膜の膜抵抗を求め、前記膜抵抗を前記電解質膜の前記乾湿指標として算出することを特徴とする請求項１に記載の乾湿指標測定装置。
3. 電解質膜（１００ａ）の両面を一対の触媒層（１００ｂ、１００ｃ）で挟んだ膜電極接合体（１００）を有し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する単位セル（１０）を備える燃料電池（１）に適用され、前記単位セルの内部の乾湿状態を示す乾湿指標を測定する乾湿指標測定装置であって、
   前記単位セルの局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４１）と、
   前記単位セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段（４２）と、
   予め定めた高周波域内の交流信号を前記燃料電池の出力電流に付加する信号付加手段（４３１）と、
   前記交流信号が前記燃料電池の出力電流に付加された際の前記セル電圧および前記局所電流から前記単位セルの局所部位における局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（４３２）と、
   前記局所インピーダンスから前記乾湿指標を算出する乾湿指標算出手段（４３３）と、を備え、
   前記高周波域は、前記燃料電池の出力電流に付加する前記交流信号の周波数を増加させた際に、前記局所インピーダンスの実数部の減少に対して虚数部が直線的に減少する直線領域内に設定されており、
   前記信号付加手段は、前記高周波域内における異なる周波数の交流信号を前記燃料電池の出力電流に付加可能に構成され、
   前記インピーダンス算出手段は、前記異なる周波数の交流信号が前記燃料電池の出力電流に付加された際に、前記異なる周波数に対応する前記局所インピーダンスを個別に算出するように構成され、
   前記乾湿指標算出手段は、前記局所インピーダンスの虚数部を用いて前記触媒層における前記乾湿指標を算出すると共に、前記異なる周波数毎に算出された前記局所インピーダンスの実数部および虚数部から前記電解質膜の膜抵抗を求め、前記膜抵抗を前記電解質膜の前記乾湿指標として算出することを特徴とする乾湿指標測定装置。
4. 電解質膜（１００ａ）の両面を一対の触媒層（１００ｂ、１００ｃ）で挟んだ膜電極接合体（１００）を有し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する単位セル（１０）を備える燃料電池（１）に適用され、前記単位セルの内部の乾湿状態を示す乾湿指標を測定する乾湿指標測定装置であって、
   前記単位セルの局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４１）と、
   前記単位セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段（４２）と、
   予め定めた高周波域内の交流信号を前記燃料電池の出力電流に付加する信号付加手段（４３１）と、
   前記交流信号が前記燃料電池の出力電流に付加された際の前記セル電圧および前記局所電流から前記単位セルの局所部位における局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（４３２）と、
   前記局所インピーダンスから前記乾湿状態を示す乾湿指標を算出する乾湿指標算出手段（４３３）と、を備え、
   前記高周波域は、前記燃料電池の出力電流に付加する前記交流信号の周波数を増加させた際に、前記局所インピーダンスの実数部の減少に対して虚数部が直線的に減少する直線領域内に設定されており、
   前記信号付加手段は、前記高周波域内における異なる周波数の交流信号を前記燃料電池の出力電流に付加可能に構成され、
   前記インピーダンス算出手段は、前記異なる周波数の交流信号が前記燃料電池の出力電流に付加された際に、前記異なる周波数に対応する前記局所インピーダンスを個別に算出するように構成され、
   前記乾湿指標算出手段は、前記異なる周波数毎に算出された前記局所インピーダンスの実数部および虚数部から前記電解質膜の膜抵抗を求め、前記膜抵抗を前記電解質膜の前記乾湿指標として算出することを特徴とする乾湿指標測定装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の乾湿指標測定装置と、
   前記乾湿指標測定装置にて測定された前記乾湿指標を用いて前記単位セルの内部の前記乾湿状態を診断する診断手段（４３４）と、
   を備えることを特徴とする燃料電池診断装置。

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