JP6024315B2 - 燃料電池診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池内部における反応ガスの拡散状態を診断する燃料電池診断装置に関する。

従来、燃料電池に発生する異常を検知する方法として、燃料電池の交流インピーダンスを利用する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、固体高分子型燃料電池において、正常発電時に燃料電池の特定周波数における交流インピーダンスを測定し、当該インピーダンスを基準値とする。そして、燃料電池の発電中に、燃料電池の特定周波数における交流インピーダンスを測定し、測定したインピーダンスと前述の基準値とを比較し、その差が許容値を超えた際に、燃料電池に異常が生じていると診断するようにしている。

具体的には、特定周波数（５Ｈｚ）におけるインピーダンスの虚数部の値が燃料電池内部の反応ガスの拡散状態に相関して変化するとして、当該インピーダンスの虚数部の値と前述の基準値とを比較して、燃料電池内部における反応ガスの拡散状態を診断するようにしている。

特開２００２−３６７６５０号公報

ところで、特定周波数（５Ｈｚ）におけるインピーダンスの虚数部は、反応ガスの拡散状態以外にも各種要因（例えば、反応ガスのガス濃度の変動等）によって、大きく変化することがある。このため、特許文献１の如く、単に特定周波数（５Ｈｚ）におけるインピーダンスの虚数部の値から、燃料電池内部の拡散状態を推定しても、その推定結果が実際の燃料電池内部の拡散状態と乖離することがある。故に、特許文献１に記載の発明では、燃料電池内部における反応ガスの拡散状態を的確に診断することが難しいといった課題がある。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池内部における反応ガスの拡散状態を的確に診断可能な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）内部における反応ガスの供給状態に相関して変化する拡散インピーダンスの実数成分の値と虚数成分の値との関係が、燃料電内部における反応ガスの拡散状態を示す拡散抵抗に応じて変化することを見出し、拡散インピーダンスの実数成分の値と虚数成分の値との関係から、燃料電池内部における反応ガスの拡散状態を診断する構成を案出した。

本願の請求項１から６に係る発明は、酸化剤ガスおよび燃料ガスといった反応ガスを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０）が積層された固体高分子型の燃料電池（１）に適用され、前記燃料電池内部における前記反応ガスの拡散状態を診断する燃料電池診断装置を対象としている。

請求項１に記載の発明では、燃料電池に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流信号、および基準周波数よりも高い高周波数の交流信号を印加する交流印加手段（４３１）と、交流印加手段にて所定周波数の交流信号を印加した際の燃料電池の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、交流印加手段にて高周波数の交流信号を印加した際の燃料電池のインピーダンス、および低周波数の交流信号を印加した際の燃料電池のインピーダンスに基づいて、燃料電池内部における反応ガスの供給状態に相関して変化する拡散インピーダンスを算出する補正手段（４３３）と、燃料電池内部における反応ガスの拡散状態に相関性を有する拡散指標を算出する拡散指標算出手段（４３４）と、拡散指標算出手段にて算出した拡散指標に基づいて燃料電池内部における反応ガスの拡散状態を診断する診断手段（４３５）と、を備える。そして、拡散指標算出手段は、補正手段にて算出した拡散インピーダンスの実数成分の値と虚数成分の値との比を拡散指標として算出することを特徴としている。

このように、拡散インピーダンスの実数成分と虚数成分との関係から算出した拡散指標に基づいて、燃料電池内部における反応ガスの拡散状態を診断する構成とすれば、燃料電池内部における反応ガスの拡散状態を的確に診断できる。

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診断装置の概略構成図である。 第１実施形態に係るセルの内部構造を示す模式図である。 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。 セルの等価回路の一例を示す回路図である。 カソード側における酸素濃度分布を説明するための説明図である。 セル内部の温度を変化させてセル内部の液水滞留量を変えることで、拡散抵抗を変化させた際の拡散抵抗および拡散インピーダンスの位相の実測値と理論結果との関係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セル内部における反応ガスの拡散状態を変化させた際のセル電圧および局所部位における拡散インピーダンスの位相の変化を示す特性図である。 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。 第２実施形態に係る燃料電池診断装置の概略構成図である。 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実施形態に係る燃料電池診断装置の概略構成図である。 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のセル１０内部における反応ガスの拡散状態を診断するものである。

図１の全体構成図に示すように、燃料電池システムは、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固体高分子型の燃料電池１を備えている。この燃料電池１は、車両走行用電動モータや二次電池といった各種電気負荷に供給される電気エネルギを出力する。燃料電池１は、基本単位となるセル１０が複数積層され、各セル１０を電気的に直列に接続した直列接続体として構成されている。

図２に示すように、各セル１０は、固体高分子からなる電解質膜１００ａの両側面に一対の電極１００ｂ、１００ｃが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１００と、膜電極接合体１００を狭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、各電極１００ｂ、１００ｃは、図３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。

図２に戻り、一対のセパレータ１０１、１０２のうち、アノード電極１００ｂに対向するセパレータ１０１には、燃料ガスとしての水素を導入する水素入口部１０１ａ、アノード電極１００ｂに水素を供給する水素流路１０１ｃ、水素流路１０１ｃから水素を導出する水素出口部１０１ｂが形成されている。

また、一対のセパレータ１０１、１０２のうち、カソード電極１００ｃに対向するセパレータ１０２には、酸化剤ガスとしての空気を導入する空気入口部１０２ａ、カソード電極１００ｃに酸素を供給する空気流路１０２ｃ、空気流路１０２ｃから空気を導出する空気出口部１０２ｂが形成されている。各セパレータ１０１、１０２は、水素流路１０１ｃを流通する水素の流れ方向と空気流路１０２ｃを流通する空気の流れ方向とが互いに対向流となるように、各入口部１０１ａ、１０２ａ、および各出口部１０１ｂ、１０２ｂが形成される。

各セル１０は、水素および空気が供給されることで、以下に示すように、水素および酸素といった反応ガスを電気化学反応させて、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
図１に戻り、燃料電池１および各種電気負荷は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して電気的に接続されている。この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、各セル１０のうち、診断対象となるセル１０（以下、対象セル１０とも称する。）には、燃料電池診断装置４が接続されている。この燃料電池診断装置４は、対象セル１０における空気流れ下流側（酸化剤ガス流れ下流側）の局所部位である空気出口部１０２ｂ（水素入口部１０１ａ）付近における空気（酸素）の拡散状態を診断するものである。空気流れ下流側の局所部位は、空気入口部１０２ａよりも空気出口部１０２ｂに近い部位であり、他の部位に比べて、生成水の滞留（フラッディング）等が発生し易く、空気の拡散状態が悪化し易い傾向がある。なお、燃料電池診断装置４の詳細については後述する。

燃料電池１には、空気を燃料電池１に供給する空気供給配管２０、および燃料電池１にて電気化学反応を終えた余剰空気やカソード電極１００ｃ側に溜まった生成水を燃料電池１から外気へ排出する空気排出配管２１が接続されている。なお、空気供給配管２０は、燃料電池１の内部に形成された空気供給マニホールド（図示略）を介して各セル１０の空気入口部１０２ａに連通し、空気排出配管２１は、燃料電池１の内部に形成された空気排出マニホールド（図示略）を介して、各セル１０の空気出口部１０２ｂに連通している。

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、水素を燃料電池１に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やアノード電極１００ｂ側に溜まった生成水を燃料電池１から外気へ排出する水素排出配管３１が接続されている。なお、水素供給配管３０は、燃料電池１の内部に形成された水素供給マニホールド（図示略）を介して各セル１０の水素入口部１０１ａに連通し、水素排出配管３１は、燃料電池１の内部に形成された水素排出マニホールド（図示略）を介して、各セル１０の水素出口部１０１ｂに連通している。

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に供給する燃料ガス側のガス供給手段が構成される。

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。なお、上述の電気化学反応では、アノード電極１００ｂ側において生成水は発生しないものの、アノード電極１００ｂ側には、カソード電極１００ｃ側から電解質膜１００ａを透過した生成水が溜まるおそれがある。このため、本実施形態では、水素排出配管３１および電磁弁３４を設けている。

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、各種メモリ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、制御装置５に対して燃料電池１の運転開始を指示する車両起動スイッチ（図示略）等が接続されており、燃料電池診断装置４、車両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。図２の概略構成図に示すように、燃料電池診断装置４は、局所電流センサ４１、電圧センサ４２、信号処理装置４３を備えている。

局所電流センサ４１は、対象セル１０における空気の拡散状態が悪化し易い空気流れ下流側の局所部位（本実施形態では、空気出口部１０２ｂおよび水素入口部１０１ａ付近）に隣接配置されて、空気流れ下流側に対応する局所部位に流れる電流（局所電流）を検出する局所電流検出手段である。なお、局所電流センサ４１は、シャント抵抗やホール素子等を利用した周知の電流センサを用いることができる。

また、電圧センサ４２は、対象セル１０のセル電圧を検出するセル電圧検出手段である。なお、局所電流センサ４１および電圧センサ４２は、信号処理装置４３に接続されており、各センサ４１、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、ＣＰＵ、各種メモリ（記憶手段）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。

信号処理装置４３は、信号印加部４３１、インピーダンス算出部４３２、補正部４３３、拡散指標算出部４３４、診断部４３５を備える。

信号印加部４３１は、燃料電池１の出力電流に対して所定周波数の交流信号を印加する交流印加手段を構成している。これにより、燃料電池１の出力電流は、図４の説明図に示すように、直流成分（電流値Ｉ）に対して周波数ｆの交流成分（振幅ΔＩ）が重畳されることとなる。

本実施形態の信号印加部４３１は、燃料電池１の出力電流に対して、予め定めた基準周波数（例えば１００Ｈｚ）よりも小さい低周波数の交流信号、および基準周波数よりも大きい高周波数の交流信号を合成した交流信号を印加可能に構成されている。

具体的には、本実施形態では、０．５ｋＨｚ〜数百ｋＨｚとなる高周波数の信号と、０．１Ｈｚ〜１００Ｈｚとなる低周波数の信号とを合成した交流信号を信号印加部４３１にて印加するようにしている。なお、信号印加部４３１にて印加する交流信号は、燃料電池１の発電状態に影響しないように燃料電池１の出力電流の１０％以内とすることが望ましい。

ここで、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対象セル１０におけるインピーダンスは、図５に示すように変化する。なお、図５は、交流信号の周波数ｆ（ω＝２πｆ）を低周波から高周波へ変化させた際の対象セル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２に戻り、インピーダンス算出部４３２は、信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に所定の交流信号を印加した際に、対象セル１０における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、信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に前述の交流信号を印加した際に、局所電流センサ４１、および電圧センサ４２の検出値に基づいて、対象セル１０の局所部位における局所インピーダンスを算出する。

具体的には、インピーダンス算出部４３２は、高速フーリエ変換処理等によって、高周波数の信号に対応する交流成分と低周波数の信号に対応する交流成分とを個別に抽出し、高周波数の信号に対応する高周波インピーダンスＺ_Ｈ、および低周波数の信号に対応する低周波インピーダンスＺ_Ｌそれぞれを算出する。

補正部４３３は、高周波インピーダンスＺ_Ｈおよび低周波インピーダンスＺ_Ｌに基づいて、対象セル１０への反応ガスの供給状態に応じて変化する拡散インピーダンスを算出する補正手段を構成している。

具体的には、本実施形態の補正部４３３は、低周波インピーダンスＺ_Ｌを基準インピーダンスとして算出し、高周波インピーダンスＺ_Ｈを用いて当該基準ピーダンスからセル１０の乾湿状態の影響を受ける電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐ、および燃料電池１の負荷変動の影響を除去することで、拡散インピーダンスを算出する。本実施形態の補正部４３３では、対象セル１０への空気の供給状態に応じて変化するカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃを算出する。なお、本実施形態の補正部４３３によるカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃの算出方法については後述する。

拡散指標算出部４３４は、燃料電池１内部における反応ガスの拡散状態に相関性を有する拡散指標を算出する拡散指標算出手段を構成している。本実施形態では、拡散インピーダンスＺｃの実数成分の値、および虚数成分の値の関係が、燃料電池１内部における反応ガスの拡散状態を示す拡散抵抗と相関して変化することに着眼し、拡散指標算出部４３４において、拡散インピーダンスＺｃの実数成分の値、および虚数成分の値の関係から拡散指標を算出するようにしている。

具体的には、本実施形態の拡散指標算出部４３４は、補正部４３３にて算出したカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）を拡散指標として算出する。なお、拡散インピーダンスＺｃの実数成分の値、および虚数成分の値の関係と、燃料電池１内部における反応ガスの拡散状態との相関性の説明については後述する。

診断部４３５は、対象セル１０内部における反応ガスの拡散状態を診断する診断手段を構成している。本実施形態の診断部４３５は、拡散指標算出部４３４にて算出した拡散指標（拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ））に基づいて、対象セル１０内部における空気の拡散状態が悪化しているか否かを診断する。

以下、本実施形態の補正部４３３によるカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスの算出方法について説明する。

本実施形態に係るセル１０の等価回路は、図６に示すように、電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐ、アノード電極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、およびカソード電極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により表現できる。

電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐ、および各電極１００ｂ、１００ｃのアイオノマー抵抗Ｒａｉ、Ｒｃｉは、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、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、各電極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、反応ガスの供給状態に応じて変化する成分である。

なお、セル１０内部における空気（酸素）の拡散状態が悪化すると、カソード電極１００ｃの各成分（Ｒｃ（Ｉ）、Ｚｃ、Ｃｃ、Ｒｃｉ）が、アノード電極１００ｂの各成分（Ｒａ（Ｉ）、Ｚａ、Ｃａ、Ｒａｉ）に比べて大きくなることから、図６におけるアノード電極１００ｂ側の各成分を無視できる。

本実施形態の補正部４３３は、図６におけるアノード電極１００ｂ側の各成分を無視した等価回路を前提とし、まず、セル１０の乾湿状態の影響を受ける電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐ、および燃料電池１の負荷変動の影響により変化するカソード電極１００ｃのＲｃ（Ｉ）を算出する。

なお、電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐについては、相関性を有する高周波インピーダンスＺ_Ｈから膜抵抗Ｒｐを算出する。例えば、高周波インピーダンスＺ_Ｈの実数部Ｒｅ（Ｚ_Ｈ）を膜抵抗Ｒｐとして算出すればよい。

また、カソード電極１００ｃの反応抵抗Ｒｃ（Ｉ）については、低周波数の交流信号を印加した際のセル電圧の変化量に含まれる活性化過電圧の変化分を、局所電流の変化量で除算して算出する。

なお、活性化過電圧の変化分については、以下の数式から算出できる。

ΔＶａ＝Ｂ×ｌｏｇ｛（Ｉ＋ΔＩ）／ΔＩ｝
但し、ΔＶａが燃料電池１の出力電流に印加された交流信号に応じて変化する触媒電極層（カソード電極１００ｃ）の活性化過電圧の変化分を示し、ΔＩが燃料電池１の出力電流に低周波数の交流信号を印加した際の交流成分の振幅（変化量）を示し、Ｉが燃料電池１の出力電流に低周波数の交流信号を印加した際の直流成分の電流値を示し、Ｂが燃料電池１のターフェル勾配を示している。なお、ターフェル勾配Ｂは、セル１０の電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐによる電圧降下を補正した燃料電池１の電流−電圧特性をターフェルプロットで表した際に、所定電流値（例えば、０．１Ａ／ｃｍ^２）以下の領域における電圧変化率を示している。

そして、補正部４３３は、低周波インピーダンスＺ_Ｌから、対象セル１０の乾湿状態の影響により変化する膜抵抗Ｒｐ、燃料電池１の負荷変動の影響により変化する反応抵抗Ｒｃ（Ｉ）を除去して、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃを算出する。

具体的には、本実施形態では、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃを以下の数式から算出する。

Ｚｃ＝１／［｛１／（Ｚ_Ｌ−Ｒｐ）｝−ｊ×ω×Ｃｃ］−Ｒｃ（Ｉ）
但し、ｊが虚数単位を示し、ω（＝２πｆ）が印加する交流信号の角周波数を示し、Ｃｃがカソード電極１００ｃの電気二重層容量（コンデンサ成分）を示している。なお、カソード電極１００ｃの電気二重層容量Ｃｃは、セル１０の局所部位における触媒電極層（カソード電極１００ｃ）の容量成分を用いることができる。なお、カソード電極１００ｃの容量成分は、予めサイクリックボルタメントリ（ＣＶ）測定を用いて定量化した値（触媒電極層における電気二重層容量の値）を用いればよい。

このように、本実施形態の補正部４３３は、高周波インピーダンスＺ_Ｈを用いて、基準インピーダンスである低周波インピーダンスＺ_Ｌから、対象セル１０における空気の供給状態に応じて変化する拡散インピーダンスＺｃを算出する。

続いて、拡散インピーダンスＺｃの実数成分の値、および虚数成分の値の関係と、燃料電池１内部における反応ガスの拡散状態との相関性ついて説明する。

セル１０内部におけるカソード電極１００ｃ付近では、図７に示すように、膜電極接合体１００までの距離δが小さくなるに伴って、酸素の拡散抵抗Ｒｏ_２が大きくなり、酸素濃度Ｃｏ_２が減少する傾向がある。

カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃ、拡散抵抗Ｒｏ_２、および酸素濃度Ｃｏ_２との関係は、フィックの第二法則、および、電極表面での拡散のフラックスと電荷移動速度等から、以下の［数１］、［数２］の数式で与えられる。なお、［数１］、［数２］の数式に関しては、板垣昌幸著、「電気化学インピーダンス法−原理・測定・解析（丸善株式会社発刊）」の１２４頁〜１２７頁の記載事項から導出したものである。

［数１］の左辺に、［数２］を代入すると、以下の［数３］、［数４］を導出することができる。なお、［数４］は、［数３］を実数成分および虚数成分（ｊ）それぞれに整理したものである。

この［数４］から、拡散インピーダンスＺｃは、以下の［数５］に示すように、複素数成分（実数成分の値および虚数成分の値）が拡散抵抗Ｒｏ_２を変数とする関数で表現でき、複素数成分に係る係数が拡散抵抗Ｒｏ_２および酸素濃度Ｃｏ_２を変数とする関数で表現できる。

従って、拡散インピーダンスにおける実数成分の値と虚数成分の値との関係は、反応ガスの拡散状態を示す拡散抵抗Ｒｏ_２に相関して変化することが分かる。

ここで、図８（ａ）は、単一のセル１０の内部温度を変化させて当該セル１０内部の液水滞留量を変えることで、当該セル１０における反応ガスの拡散状態を変化させた際の拡散抵抗Ｒｏ_２、および拡散指標（位相φ（Ｚｃ））の実測値の関係を示している。一方、図８（ｂ）は、図８（ａ）と同条件下にて、単一のセル１０における反応ガスの拡散状態を変化させた際の拡散抵抗Ｒｏ_２、および拡散指標（位相φ（Ｚｃ））の理論値（理論結果）を示している。

図８の各図に示すように、同条件下における拡散抵抗Ｒｏ_２、および拡散指標である位相φ（Ｚｃ）の実測値および理論値は、拡散抵抗Ｒｏ_２の増加に応じて、位相がマイナス側に大きくなるといった相関傾向があり、拡散指標である位相φ（Ｚｃ）は、拡散抵抗Ｒｏ_２に相関性を有することが分かる。

また、図９は、燃料電池１内部における反応ガスの拡散状態を変化させた際のセル１０におけるセル電圧の変化、および２０Ｈｚの交流信号を付加した際のセル１０における拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）の変化を示す特性図である。

燃料電池１は、内部温度が上昇すると内部の乾湿状態が湿潤状態から乾燥状態となり、燃料電池１内部に存する水分が減少することにより、反応ガスが拡散し易くなることから、本例では、燃料電池１を温度調整する冷却水の温度（冷却水温）を低温から高温へ変化させることで燃料電池１内部の拡散状態が徐々に良好となるように変化させている。なお、図９に示す拡散インピーダンスの位相φ（Ｚｃ）は、図１０に示すように、セル１０における発電領域のうち、空気出口部からの距離が２０％程度となる範囲に対応する検知領域での算出結果を示している。

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（フラッディング）となり、セル１０における反応ガスの拡散が阻害されて、セル電圧が大きく低下する。これに伴って、拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）がマイナス側へ大きくなる。

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となり、セル電圧が高い値となる。この際、燃料電池１内部の水分の減少に伴ってセル１０における反応ガスが拡散し易くなることから、拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）がプラス側へ移行する。

そして、冷却水の温度を高温域（９０℃付近）まで上昇すると、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。この際、セル１０における反応ガスの拡散が阻害されないため、拡散インピーダンスの位相は、プラス側へ移行した状態が維持される。

このように、拡散インピーダンスの位相φ（Ｚｃ）は、セル１０内部の拡散状態の悪化に伴って、マイナス側へ大きくなる傾向があることから、拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）に基づいて、セル１０における反応ガスの拡散状態を診断可能であることが分かる。

次に、上記構成に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池診断装置４で実行する対象セル１０における空気の拡散状態を診断する処理について図１１のフローチャートを用いて説明する。なお、図１１に示す制御ルーチンは、車両起動スイッチが投入されて、燃料電池１が発電状態となるとスタートする。

燃料電池１が発電状態となると、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して、高周波数の信号と低周波数の信号とを合成した交流信号を印加する（Ｓ１０）。

続いて、局所電流センサ４１および電圧センサ４２からの出力信号を読み込む（Ｓ２０）。そして、局所電流センサ４１、および電圧センサ４２の検出値に基づいて、信号処理装置４３のインピーダンス算出部４３２にて対象セル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）。このステップＳ３０の処理では、高周波インピーダンスＺ_Ｈ、および低周波インピーダンスＺ_Ｌそれぞれを算出する。

信号処理装置４３の補正部４３３にて、高周波インピーダンスＺ_Ｈを用いて、基準インピーダンスである低周波インピーダンスＺ_Ｌを補正することで、基準インピーダンスに含まれる拡散インピーダンスを算出する（Ｓ４０）。

具体的には、高周波インピーダンスＺ_Ｈから算出した膜抵抗Ｒｐ、および低周波数の交流信号を印加した際のセル電圧および局所電流の変化量から算出した反応抵抗Ｒｃ（Ｉ）それぞれを、低周波インピーダンスＺ_Ｌから除去することで、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃを算出する。

続いて、拡散指標算出部４３４において、拡散インピーダンスＺｃの実数成分の値および虚数成分の値の関係から、拡散指標としての拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）を算出する（Ｓ５０）。

続いて、信号処理装置４３の診断部４３５にて、ステップＳ５０の処理で算出したカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）（絶対値）が予め定めた位相判定閾値φｒｅｆより大きいか否かを判定する（Ｓ６０）。この位相判定閾値φｒｅｆは、対象セル１０内部の空気の拡散状態が悪化した際の拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）（絶対値）を基準に定められている。

ステップＳ６０の判定処理にて、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）が位相判定閾値φｒｅｆ以下と判定された場合（Ｓ６０：ＮＯ）には、セル内部における空気の拡散状態が適正であると診断し（Ｓ７０）、診断処理を終了する。

一方、ステップＳ６０の判定処理にて、カソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）が位相判定閾値φｒｅｆを超えたと判定された場合（Ｓ６０：ＹＥＳ）には、対象セル１０内部における空気の拡散状態が悪化して、ガス閉塞やフラッディングが生じている状態であると診断し（Ｓ８０）、診断処理を終了する。この場合、例えば、一時的に空気調圧弁２３を開放して、各セル１０内部に滞留する水分を外部へ排出することで、拡散状態の悪化を解消できる。

以上説明した本実施形態では、拡散インピーダンスＺｃの実数成分と虚数成分との関係から算出した拡散指標（位相）に基づいて、対象セル１０内部における空気の拡散状態を診断する構成としている。これによれば、対象セル１０内部のガス濃度の変化によって拡散インピーダンスが大きく変化したとしても、燃料電池内部における反応ガスの拡散状態を的確に診断できる。

また、拡散インピーダンスＺｃを、低周波インピーダンスＺ_Ｌから対象セル１０の乾湿状態の影響を受ける電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐ、および燃料電池１の負荷変動の影響により変化するカソード電極１００ｃの反応抵抗Ｒｃ（Ｉ）を除去して算出する構成としている。これにより、対象セル１０内部の乾湿状態の変化や燃料電池１の負荷変動の変化によって低周波インピーダンスＺ_Ｌが大きく変化したとしても、燃料電池１内部における反応ガスの拡散状態を的確に診断できる。

（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、拡散インピーダンスの実数成分と虚数成分との関係から算出した拡散指標（位相）から対象セル１０内部におけるカソード電極１００ｃ付近の拡散抵抗Ｒｏ_２を推定し、当該拡散抵抗Ｒｏ_２の推定値に基づいて、対象セル１０内部における空気の拡散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。

図１２に示すように、本実施形態の信号処理装置４３は、拡散抵抗推定部４３６を備える。拡散抵抗推定部４３６は、拡散指標算出部４３４にて算出した拡散インピーダンスＺｃの位相（拡散指標）から対象セル１０内部におけるカソード電極１００ｃ付近の拡散抵抗Ｒｏ_２を推定するもので、拡散抵抗推定手段を構成している。

本実施形態の拡散抵抗推定部４３６では、予めカソード電極１００ｃの拡散インピーダンスＺｃの位相と、拡散抵抗Ｒｏ_２との対応関係を規定した制御マップを信号処理装置４３のメモリに記憶しておき、拡散指標算出部４３４にて算出した拡散インピーダンスＺｃの位相に基づいて、制御マップを参照して拡散抵抗Ｒｏ_２を推定する。

次に、上記構成に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池診断装置４で実行する対象セル１０における空気の拡散状態を診断する処理について図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、拡散指標算出部４３４にて、拡散指標としての拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）を算出した後（Ｓ５０）、拡散抵抗推定部４３６にて、拡散インピーダンスＺｃの位相φ（Ｚｃ）から対象セル１０内部におけるカソード電極１００ｃ付近の空気の拡散状態を示す拡散抵抗Ｒｏ_２を推定する（Ｓ９０）。

続いて、信号処理装置４３の診断部４３５にて、ステップＳ９０の処理で推定した拡散抵抗Ｒｏ_２が予め定めた抵抗判定閾値Ｒｒｅｆより大きいか否かを判定する（Ｓ１００）。この抵抗判定閾値Ｒｒｅｆは、対象セル１０内部の空気の拡散状態が悪化した際の拡散抵抗Ｒｏ_２を基準に定められている。

ステップＳ１００の判定処理にて、拡散抵抗Ｒｏ_２が抵抗判定閾値Ｒｒｅｆ以下と判定された場合（Ｓ１００：ＮＯ）には、対象セル１０内部における空気の拡散状態が適正であると診断する（Ｓ７０）。

一方、ステップＳ１００の判定処理にて、拡散抵抗Ｒｏ_２が抵抗判定閾値Ｒｒｅｆよりも大きいと判定された場合（Ｓ１００：ＹＥＳ）には、対象セル１０内部における空気の拡散状態が悪化して、ガス閉塞やフラッディングが生じている状態であると診断する（Ｓ８０）。

以上説明した本実施形態では、拡散インピーダンスの実数成分と虚数成分との関係から算出した拡散指標（位相）から推定したカソード電極１００ｃ付近の拡散抵抗Ｒｏ_２に基づいて、対象セル１０内部における空気の拡散状態を診断する構成としている。これによっても、第１実施形態と同様に、燃料電池内部における反応ガスの拡散状態を的確に診断できる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態では、対象セル１０内部におけるカソード電極１００ｃ付近の酸素濃度Ｃｏ_２を推定する点が第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。

図１４に示すように、本実施形態の信号処理装置４３は、ガス濃度推定部４３７を備える。ガス濃度推定部４３７は、対象セル１０内部の反応ガスのガス濃度を推定するガス濃度推定手段を構成している。

ここで、第１実施形態の［数５］に示すように、拡散インピーダンスＺｃにおける複素数成分（実数成分および虚数成分）に係る係数は、拡散抵抗Ｒｏ_２および酸素濃度Ｃｏ_２を変数とする関数で表現できる。

このため、拡散インピーダンスＺｃにおける複素数成分に係る係数に相当する拡散インピーダンスＺｃの絶対値Ａｂｓ（Ｚｃ）は、反応ガスの拡散状態を示す拡散抵抗Ｒｏ_２、および酸素濃度Ｃｏ_２に相関して変化することが分かる。このような関係から、酸素濃度Ｃｏ_２は、拡散インピーダンスＺｃの絶対値Ａｂｓ（Ｚｃ）、および拡散抵抗Ｒｏ_２に相関して変化する変数と捉えることができ、拡散インピーダンスＺｃの絶対値Ａｂｓ（Ｚｃ）、および拡散抵抗Ｒｏ_２から酸素濃度Ｃｏ_２を推定できる。

本実施形態のガス濃度推定部４３７では、予め拡散インピーダンスＺｃの絶対値Ａｂｓ（Ｚｃ）、拡散抵抗Ｒｏ_２、および酸素濃度Ｃｏ_２の対応関係を規定した制御マップを信号処理装置４３のメモリに記憶しておき、ガス濃度推定部４３７にて推定した拡散抵抗Ｒｏ_２、拡散インピーダンスＺｃの絶対値Ａｂｓ（Ｚｃ）に基づいて、制御マップを参照して酸素濃度Ｃｏ_２を推定する。

次に、上記構成に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池診断装置４で実行する対象セル１０における空気の拡散状態を診断する処理について図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、拡散抵抗推定部４３６にて拡散抵抗Ｒｏ_２を推定した後（Ｓ９０）、ガス濃度推定部４３７にて、拡散インピーダンスＺｃの絶対値Ａｂｓ（Ｚｃ）、および拡散抵抗Ｒｏ_２から酸素濃度Ｃｏ_２を推定する（Ｓ１１０）。

続いて、ステップＳ１００にて、拡散抵抗Ｒｏ_２が、予め定めた抵抗判定閾値Ｒｒｅｆより大きいか否かを判定し、その判定結果に応じて、対象セル１０内部における空気の拡散状態が適正であると診断する（Ｓ７０、Ｓ８０）。なお、ステップＳ９０にて推定した拡散抵抗Ｒｏ_２は、ステップＳ１１０にて推定した酸素濃度Ｃｏ_２よりも、対象セル１０内部における空気の拡散状態に対してより強い相関性を有することから、本実施形態では、前述の第２実施形態と同様に、拡散抵抗Ｒｏ_２を用いて対象セル１０内部における空気の拡散状態の判定を行っている。

以上説明した本実施形態では、拡散インピーダンスＺｃの絶対値Ａｂｓ（Ｚｃ）、および拡散抵抗Ｒｏ_２に基づいて、酸素濃度を推定する構成としているので、第１、第２実施形態で説明した効果に加えて、専用のガス濃度センサを別途用意することなく、酸素濃度を精度よく推定することができるといった効果を奏する。

（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限り、当業者が通常有する知識に基づいて適宜変更できる。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、セル１０内部における水素および空気といった反応ガスのうち空気の拡散指標を算出し、当該拡散指標に基づいて、セル１０内部における空気の拡散状態を診断する例について説明したが、これに限定されない。

例えば、補正部４３３にて、アノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａを算出すると共に、拡散指標算出部４３４にて、拡散インピーダンスＺａにおける実数成分の値および虚数成分の値の関係から水素の拡散指標を算出し、さらに、診断部４３５にて、当該拡散指標に基づいて、セル１０内部における水素の拡散状態を診断する構成としてもよい。この際、第２実施形態の如く、拡散抵抗推定部４３６にて、水素の拡散指標からアノード電極１００ｂの拡散抵抗Ｒ_Ｈ２を算出する構成としてもよい。また、第３実施形態の如く、ガス濃度推定部４３７にて、アノード電極１００ｂの拡散抵抗Ｒ_Ｈ２、およびアノード電極１００ｂの拡散インピーダンスＺａの絶対値Ａｂｓ（Ｚａ）から水素濃度Ｃ_Ｈ２を算出する構成としてもよい。

（２）上述の各実施形態では、補正部４３３にて算出した拡散インピーダンスの位相を拡散指標として算出する例について説明したが、これに限定されない。拡散インピーダンスにおける実数成分の値と虚数成分の値との比についても、燃料電池１内部における反応ガスの拡散状態に相関性を有する。このため、補正部４３３において、拡散インピーダンスにおける実数成分の値と虚数成分の値との比を拡散指標として算出するようにしてもよい。

（３）上述の各実施形態では、対象セル１０の局所部位におけるインピーダンスを算出し、当該インピーダンスを用いて、対象セル１０の局所部位における反応ガスの拡散状態を診断する例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池１全体におけるインピーダンスを算出し、当該インピーダンスを用いて、燃料電池１全体における反応ガスの拡散状態を診断する構成としてもよい。また、対象セル１０の複数の局所部位におけるインピーダンスを算出し、当該インピーダンスを用いて、対象セル１０の各局所部位における反応ガスの拡散状態を診断する構成としてもよい。

（４）上述の各実施形態では、各電極１００ｂ、１００ｃの反応抵抗を理論式を用いて算出する例について説明したが、これに限らず、例えば、予め反応抵抗と燃料電池１の出力電流に含まれる直流成分および交流成分との関係を規定した制御マップを用いて反応抵抗を算出してもよい。

（５）上述の各実施形態の如く、拡散インピーダンスを、低周波インピーダンスＺ_Ｌから対象セル１０の乾湿状態の影響を受ける電解質膜１００ａの膜抵抗、および燃料電池１の負荷変動の影響により変化する反応抵抗を除去して算出することが望ましいが、これに限定されない。例えば、燃料電池１の負荷変動の拡散インピーダンスへの影響が小さい場合、拡散インピーダンスを、単に高周波インピーダンスＺ_Ｈの実数部Ｒｅ（Ｚ_Ｈ）を、低周波インピーダンスＺ_Ｌから減算した減算値（＝Ｒｅ（Ｚ_Ｌ）−Ｒｅ（Ｚ_Ｈ）＋Ｉｍ（Ｚ_Ｌ））としてもよい。

（６）上述の各実施形態では、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して、高周波数の信号と低周波数の信号とを合成した交流信号を印加する例について説明したが、これに限定されない。例えば、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して、高周波数の信号と低周波数の信号とを異なるタイミングで印加するようにしてもよい。

（７）上述の各実施形態のように、電圧センサ４２にて対象セル１０のセル電圧を検出する構成が望ましいが、例えば、電圧センサ４２にて燃料電池１全体の電圧を検出するようにしてもよい。

（８）上述の各実施形態では、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して２つの異なる周波数の交流信号を印加する例を説明したが、これに限らず、例えば、３つ以上の異なる周波数の交流信号を印加するようにしてもよい。

（９）上述の各実施形態では、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して交流信号を印加する例について説明したが、これに限らず、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２にて燃料電池１の出力電流に対して交流信号を印加するようにしてもよい。この場合、燃料電池診断装置４の部品点数の低減を図ることができる。

（１０）上述の各実施形態では、本発明の燃料電池診断装置４を燃料電池車両に搭載された燃料電池１の状態を診断する装置に適用する例を説明したが、これに限らず、船舶およびポータブル発電機等の移動体や設置型の燃料電池１の状態を診断する装置に適用してもよい。

１ 燃料電池
１０ セル
４３１ 信号印加部（交流印加手段）
４３２ インピーダンス算出部（インピーダンス算出手段）
４３３ 補正部（補正手段）
４３４ 拡散指標算出部（拡散指標算出手段）
４３５ 診断部（診断手段）
４３６ 拡散抵抗推定部（拡散抵抗推定手段）
４３７ ガス濃度推定部（ガス濃度推定手段）

Claims (4)

1. 酸化剤ガスおよび燃料ガスといった反応ガスを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０）が積層された固体高分子型の燃料電池（１）に適用され、前記燃料電池内部における前記反応ガスの拡散状態を診断する燃料電池診断装置であって、
   前記燃料電池に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流信号、および前記基準周波数よりも高い高周波数の交流信号を印加する交流印加手段（４３１）と、
   前記交流印加手段にて所定周波数の前記交流信号を印加した際の前記燃料電池の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、
   前記交流印加手段にて前記高周波数の交流信号を印加した際の前記燃料電池のインピーダンス、および前記低周波数の交流信号を印加した際の前記燃料電池のインピーダンスに基づいて、前記燃料電池内部における前記反応ガスの供給状態に相関して変化する拡散インピーダンスを算出する補正手段（４３３）と、
   前記燃料電池内部における前記反応ガスの拡散状態に相関性を有する拡散指標を算出する拡散指標算出手段（４３４）と、
   前記拡散指標算出手段にて算出した前記拡散指標に基づいて前記燃料電池内部における前記反応ガスの拡散状態を診断する診断手段（４３５）と、を備え、
   前記拡散指標算出手段は、前記補正手段にて算出した前記拡散インピーダンスの実数成分の値と虚数成分の値との比を前記拡散指標として算出することを特徴とする燃料電池診断装置。
2. 前記拡散指標算出手段にて算出した前記拡散指標から前記反応ガスの拡散状態に応じて変化する拡散抵抗を推定する拡散抵抗推定手段（４３６）を備え、
   前記診断手段は、前記拡散抵抗推定手段にて推定した前記拡散抵抗が、予め定めた抵抗判定閾値を越えた場合に、前記燃料電池内部における前記反応ガスの拡散状態が悪化していると診断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池診断装置。
3. 前記燃料電池内部における前記反応ガスのガス濃度を推定するガス濃度推定手段（４３７）を備え、
   前記ガス濃度推定手段は、前記拡散抵抗推定手段にて推定した前記拡散抵抗、および前記補正手段にて算出した前記拡散インピーダンスの絶対値から前記燃料電池内部における前記反応ガスのガス濃度を推定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池診断装置。
4. 前記複数のセルのうち、診断対象となる対象セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段（４２）と、
   前記対象セルにおける少なくとも１つの局所部位を流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４１）と、を備え、
   前記補正手段は、
   前記交流印加手段にて前記低周波数の交流信号を印加した際の前記セル電圧および前記局所電流に基づいて、前記対象セルの局所部位におけるインピーダンスを基準インピーダンスとして算出し、
   前記交流印加手段にて前記高周波数の交流信号を印加した際の前記対象セルの局所部位におけるインピーダンスを用いて前記基準インピーダンスを補正することで、前記基準インピーダンスに含まれる前記拡散インピーダンスを算出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池診断装置。

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