JP6197601B2 - 燃料電池監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を監視する燃料電池監視装置に関する。

従来、燃料電池を効率良く運転させるために、交流インピーダンス法により燃料電池のインピーダンスを算出し、当該インピーダンスから燃料電池の内部水分量を把握して燃料電池の内部水分量を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、異なる周波数におけるインピーダンスから、燃料電池の内部水分量の不足時（ドライアップ時）に増加する抵抗成分Ｒ１、および内部水分量の過剰時（フラッディング時）に増加する抵抗成分Ｒ２を求め、各抵抗成分Ｒ１、Ｒ２に基づいて燃料電池の内部水分量を推定するようにしている。なお、抵抗成分Ｒ１は、電解質膜におけるプロトン移動抵抗に相当し、抵抗成分Ｒ２は、活性化過電圧および濃度過電圧（拡散過電圧）を抵抗換算したガス反応抵抗に相当するとものとしている。

特開２００３−８６２２０号公報

ところで、複数のセルを積層したスタック構造を有する燃料電池では、通常、燃料電池におけるセル積層方向の内部水分量が均一ではなく、セル積層方向にばらつきが生ずる傾向がある。本発明者らの調査によれば、燃料電池におけるセル積層方向の中段部（スタック中央部）に位置するセルの内部水分量に対して、セル積層方向の積層端部（スタック端部）に位置するセルの内部水分量が多くなる傾向があることが判っている（図１０参照）。なお、「積層端部」は、燃料電池におけるセル積層方向の両端付近の部位（セル群）を意味し、「中段部」は、燃料電池における「積層端部」を構成する部位を除いた中段付近の部位（セル群）を意味する。

しかしながら、特許文献１では、燃料電池におけるセル積層方向の内部水分量のばらつきについて何ら考慮されておらず、燃料電池におけるセル積層方向の内部水分量のばらつきを把握することができない。それ故、燃料電池の内部水分量を制御した際に、燃料電池において局所的に内部水分量が過剰となってしまう虞がある。

これに対して、燃料電池を構成する各セルそれぞれのインピーダンスを算出し、当該インピーダンスに基づいて各セルの内部水分量を推定することで、燃料電池におけるセル積層方向の内部水分量のばらつきを把握することが考えられる。

しかし、この場合、各セルそれぞれに対して、インピーダンスを算出するための機器（センサ、ＦＦＴ等の演算装置）が必要となってしまい、インピーダンスを算出するための構成機器が肥大化してコストが増大するといった問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、インピーダンスを算出するための構成機器の肥大化を抑制しつつ、燃料電池におけるセル積層方向の内部水分量のばらつきを把握可能な燃料電池監視装置を提供することを目的とする。

本発明は、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されることで、電気エネルギを出力するセル（１０）を複数積層して構成される燃料電池（１）を監視する燃料電池監視装置を対象としている。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、燃料電池におけるセル積層方向の積層端部および中段部の内部水分量のばらつきが、燃料電池における積層端部および中段部の温度に相関性を有することに着眼し、本発明を案出した。

すなわち、請求項１に係る発明では、
燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段（５１）と、
燃料電池におけるセル積層方向の中段部、およびセル積層方向の積層端部のうち、一方の部位に位置するセルの電圧を検出する電圧検出手段（５２）と、
燃料電池の出力信号に異なる周波数の信号を重畳する信号重畳手段（５３１）と、
信号重畳手段により異なる周波数の信号が重畳された際の電流検出手段の検出電流、および電圧検出手段の検出電圧から異なる周波数毎のインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（５３２）と、
インピーダンス算出手段にて算出された異なる周波数毎のインピーダンスから一方の部位における１セル当りの内部水分量を第１内部水分量として推定する第１水分量推定手段（５３３）と、
積層端部の温度および中段部の温度を算出する温度算出手段（５３４）と、
第１水分量推定手段にて推定された第１内部水分量、並びに、温度算出手段にて算出された積層端部の温度（Ｔ２）および中段部の温度（Ｔ１）に基づいて、中段部および積層端部のうち、他方の部位における１セル当りの内部水分量を第２内部水分量として推定する第２水分量推定手段（５３５）と、
を備えることを特徴としている。

これよると、燃料電池におけるセル積層方向の積層端部および中段部のうち、一方の部位における１セル当たりの内部水分量の推定値（第１内部水分量）から他方の部位における１セル当たりの内部水分量（第２内部水分量）を推定することができる。この際、燃料電池におけるセル積層方向の積層端部および中段部のうち、一方の部位に位置するセルのインピーダンスを算出するだけでよいので、インピーダンスを算出するための構成機器が増加することがない。

従って、本発明によれば、インピーダンスを算出するための構成機器の肥大化を抑制しつつ、燃料電池におけるセル積層方向の内部水分量のばらつきを把握することができる。

また、請求項３に記載の発明では、温度算出手段は、燃料電池内部を循環する冷却水の温度、冷却水の流量、および外気温に基づいて燃料電池における放熱量（Ｑ１）を算出すると共に、燃料電池の発電時に出力される電力に基づいて燃料電池における発熱量（Ｑ２）を算出し、算出した放熱量および発熱量に基づいて、積層端部の温度、および中段部の温度それぞれを算出することを特徴としている。

このように、燃料電池における発熱量および放熱量から積層端部および中段部それぞれの温度を演算により算出する構成とすれば、積層端部および中段部それぞれの温度を検知する専用の検知手段が不要となる。このため、燃料電池監視装置の装置構成のさらなる簡素化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監視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実施形態に係るセルの模式的な断面図である。 第１実施形態に係るセルの内部構造を示す模式的な断面図である。 第１実施形態に係る燃料電池監視装置の模式図である。 信号重畳部にて燃料電池の出力信号に重畳させる交流信号を説明するための説明図である。 第１内部水分量を推定する過程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。 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。 セルの内部水分量と第１拡散抵抗との対応関係を示す特性図である。 燃料電池の発電時におけるセル積層方向の温度、内部水分量、圧力損失、反応ガスのガス流量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監視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。 燃料電池の中段部の内部水分量である第１内部水分量の推定処理の流れを示すフローチャートである。 第１拡散抵抗の測定処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池の積層端部の温度および中段部の温度を算出する温度算出処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池の放熱量および発熱量と、中段部の温度との相関特性を規定した特性図である。 燃料電池の放熱量および発熱量と、積層端部の温度との相関特性を規定した特性図である。 燃料電池の積層端部の内部水分量である第２内部水分量の推定処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池の積層端部における反応ガスのガス流量を推定するガス流量推定処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池におけるセル積層方向の内部水分量と圧力損失との関係を示す特性図である。 燃料電池におけるセル積層方向の圧力損失と反応ガスのガス流量との相関特性を示す特性図である。 第２実施形態に係る燃料電池監視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。 燃料電池におけるセル積層方向の温度分布を縮小させる温度調整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面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明すると、本実施形態では、本発明の燃料電池監視装置５を、電気自動車の一種である燃料電池車両に搭載された燃料電池１に適用した例について説明する。

燃料電池１は、反応ガスである水素（燃料ガス）および酸素（酸化剤ガス）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り、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、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。本実施形態の燃料電池１は、最小単位となるセル１０が複数積層されたスタック構造であり、各セル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。

各セル１０は、図２の断面図に示すように、電解質膜１０１の両面に一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂを接合してなる膜電極接合体１００、膜電極接合体１００の両側に配置された一対の拡散層１０３ａ、１０３ｂ、これらを挟持するセパレータ１１０で構成されている。

電解質膜１０１は、含水性を有する炭化フッ素系や炭化水素系等の高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。

一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ電極をなすもので、アノード電極を構成するアノード側触媒層１０２ａ、およびカソード電極を構成するカソード側触媒層１０２ｂで構成されている。各触媒層１０２ａ、１０２ｂは、図３の模式図に示すように、触媒作用を発揮する物質（例えば、白金粒子）１０２ｃ、当該物質１０２ｃを担持する担持カーボン１０２ｄ、担持カーボン１０２ｄを被覆するアイオノマー（電解質ポリマー）１０２ｅで構成されている。

拡散層１０３ａ、１０３ｂは、反応ガスを各触媒層１０２ａ、１０２ｂへ拡散させるもので、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質部材（例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス）で構成されている。

セパレータ１１０は、例えば、導電性を有するカーボン製の基材で構成されている。各セパレータ１１０には、アノード側触媒層１０２ａに対向する部位に、燃料ガス（本例では水素）が流れる水素流路１１１が形成され、カソード側触媒層１０２ｂに対向する部位に、酸化剤ガス（本例では空気）が流れる空気流路１１２が形成されている。

各セル１０は、水素および空気が供給されると、以下に示す水素および酸素の電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
（アノード側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（カソード側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
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。

ここで、各セル１０における各流路１１１、１１２の下流側には、水素と酸素の電気化学反応により生成される水分（生成水）が滞留し易い。各流路１１１、１１２に生成水が滞留すると、各触媒層１０２ａ、１０２ｂへの反応ガスの拡散が阻害されてしまう。

このため、燃料電池１には、セル１０内における反応ガスの拡散状態や内部水分量等を監視する燃料電池監視装置５が接続されている。なお、燃料電池監視装置５については後述する。

燃料電池１のカソード側には、酸化剤ガスである空気を燃料電池１に供給する空気供給経路２０ａ、および燃料電池１から排出される未反応空気や電気化学反応により生成された生成水を外部へ排出する空気排出経路２０ｂが接続されている。

空気供給経路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１へ圧送するための空気ポンプ２１が設けられている。また、空気排出経路２０ｂには、燃料電池１内の空気の圧力を調整する空気調圧弁２３が設けられている。

さらに、空気供給経路２０ａおよび空気排出経路２０ｂには、空気調圧弁２３から流出した空気中の水分を空気ポンプ２１から圧送された空気へ移動させるための加湿器２２が設けられている。

燃料電池１のアノード側には、燃料ガスである水素を燃料電池１に供給する水素供給経路３０ａ、および燃料電池１から排出される微量の未反応水素および生成水を外部へ排出する水素排出経路３０ｂが接続されている。

水素供給経路３０ａの最上流部には、高圧水素が充填された水素タンク３１が設けられ、その下流側に燃料電池１へ供給する水素の圧力を調整する水素調圧弁３２が設けられている。

また、水素排出経路３０ｂには、未反応水素を生成水と共に、外部へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３３が設けられている。なお、セル１０内の電気化学反応では、基本的にアノード側では生成水が生じないが、生成水がカソード側からアノード側へ透過することで、アノード側に生成水が溜まることがある。このため、本実施形態では、水素排出経路３０ｂに電磁弁３３を設けている。

ところで、燃料電池１は、高い発電効率を発揮させるために、運転中は一定温度（例えば、８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１には、その温度を調整するための冷却水回路４０が接続されている。

この冷却水回路４０には、燃料電池１内部に冷却水を循環させる循環ポンプ４１、電動ファン４２を備えるラジエータ４３が設けられている。また、冷却水回路４０には、ラジエータ４３を迂回するように冷却水を流すバイパス流路４４が設けられている。そして、冷却水回路４０におけるラジエータ４３側の流路とバイパス流路４４との合流点には、ラジエータ４３に流れる冷却水の流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。また、冷却水回路４０には、燃料電池１に流入させる冷却水の温度Ｔｗを検出する温度センサ４６が設けられている。

次に、燃料電池監視装置５について説明する。燃料電池監視装置５は、主な構成機器として、電流測定部５１、電圧測定部５２、信号処理装置５３、および制御装置５４を備える構成となっている。

まず、電流測定部５１、電圧測定部５２、および信号処理装置５３について図４を用いて説明する。なお、図４では、燃料電池１の内部構造を示すために、燃料電池１を構成するセル１０の一部を透視図で示している。

電流測定部５１は、セル１０に設定された局所部位における出力電流を検出する電流検出手段である。本実施形態の電流測定部５１は、燃料電池１におけるセル積層方向の中段部に位置する所定のセル１０に隣接して配置された測定板５１１、測定板５１１におけるセル１０の局所部位に対応する位置に設けられて、局所部位に流れる電流を検出する電流センサ５１２で構成されている。なお、電流センサ５１２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。

また、電流測定部５１は、燃料電池１におけるセル積層方向の中段部に限らず、セル積層方向の端部側の積層端部に配設してもよい。なお、本実施形態では、燃料電池１におけるセル積層方向の両端付近の部位（セル群）が「積層端部」を構成し、燃料電池１における「積層端部」を構成する部位を除いた中段付近の部位（セル群）が「中段部」を構成している。

電圧測定部５２は、セル１０から出力される出力電圧を検出する電圧検出手段である。本実施形態の電圧測定部５２は、セル積層方向の中段部および積層端部のうち、中段部に位置するセル１０の出力電圧を検出するように構成されている。なお、電流測定部５１、および電圧測定部５２は、それぞれ信号処理装置５３に接続されており、電流測定部５１、および電圧測定部５２からの各出力信号が信号処理装置５３に入力される。

信号処理装置５３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、記憶手段を構成する各種メモリ５３０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５３は、信号重畳部５３１、インピーダンス算出部５３２、第１水分量推定部５３３、温度算出部５３４、および第２水分量推定部５３５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。

信号重畳部５３１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して燃料電池１に接続され、図５に示すように、燃料電池１の出力電流（直流成分Ｉ）に対して所定周波数の交流信号（交流成分ΔＩ）を重畳させる信号重畳手段である。

本実施形態の信号重畳部５３１は、高周波数（例えば、１ｋＨｚ）の交流信号、および低周波数（例えば、２０Ｈｚ）の交流信号といった異なる周波数の交流信号を、燃料電池１の出力電流に重畳するように構成されている。なお、信号重畳部５３１にて重畳する各交流信号は、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％以内とすることが望ましいが、燃料電池１の発電状態に応じて変更するようにしてもよい。

インピーダンス算出部５３２は、信号重畳部５３１にて燃料電池１の出力電流に各交流信号を重畳した際の電流測定部５１の検出電流、および電圧測定部５２の検出電圧から異なる周波数毎の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。

本実施形態では、電圧測定部５２にてセル積層方向の中段部に位置するセル１０の出力電圧を測定する構成としていることから、インピーダンス算出部５３２では、セル積層方向の中段部に位置するセル１０のインピーダンスを算出することになる。なお、本実施形態のインピーダンス算出部５３２は、例えば、高速フーリエ変換処理等によって、異なる周波数毎のインピーダンスの絶対値および位相角を算出するように構成されている。

第１水分量推定部５３３は、インピーダンス算出部５３２にて算出された異なる周波数毎のインピーダンスに基づいて、セル積層方向の中段部に位置するセル１０の内部水分量を第１内部水分量として推定するもので、「第１水分量推定手段」を構成している。

ここで、燃料電池１の内部水分量は、その内部における反応ガスの拡散の困難性を示すガス拡散抵抗と相関性があり、当該ガス拡散抵抗に基づいて推定することが考えられる。本発明者らの調査によれば、燃料電池１の内部水分量は、ガス拡散抵抗のうち、燃料電池１内部のフラディングに依拠して変化する拡散特性を示す第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔと相関性があることが判っている。

そこで、第１水分量推定部５３３では、インピーダンス算出部５３２にて算出された異なる周波数毎のインピーダンスから第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔを算出した後、当該第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔに基づいて、中段部に位置するセル１０の内部水分量を推定する。

本実施形態の第１水分量推定部５３３は、図６に示すように、抵抗算出部５３３ａ、限界電流密度算出部５３３ｂ、ガス拡散抵抗算出部５３３ｃ、第２拡散抵抗算出部５３３ｄ、第１拡散抵抗算出部５３３ｅ、および水分量算出部５３３ｆといった演算部を備えている。

抵抗算出部５３３ａは、インピーダンス算出部５３２にて算出した異なる周波数毎のインピーダンスに基づいて、プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍ、およびガス反応抵抗Ｒ_ｃｔそれぞれを算出する演算部である。なお、プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍは、電解質膜１０１の乾燥に伴って増大する抵抗過電圧を抵抗換算した成分であり、ガス反応抵抗Ｒ_ｃｔは、活性化過電圧および濃度過電圧を抵抗換算した成分である。

本実施形態の抵抗算出部５３３ａは、異なる周波数のうち、高い方の周波数に対応する高周波インピーダンスからプロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍを算出する。また、異なる周波数のうち、低い方の周波数に対応する低周波インピーダンスの絶対値、および位相角、およびプロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍを用いて、ガス反応抵抗Ｒ_ｃｔを算出する。

以下、本実施形態における燃料電池１のプロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍ、およびガス反応抵抗Ｒ_ｃｔの算出手法について図７および図８を用いて説明する。なお、図７および図８は、周波数を低周波から高周波に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（コールコールプロット図）である。

本実施形態では、図７および図８に示すように、高周波数ｆ_Ｈにおけるインピーダンスの実軸の値がプロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍに相当し、円弧状のインピーダンスの軌跡と実軸とが交わる２つの交点間の値がガス反応抵抗Ｒ_ｃｔに相当するものとしている。

プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍについては、高周波数ｆ_Ｈにおけるインピーダンスの絶対値Ｒ_１および位相θ_１を、以下の数式Ｆ１に適用して算出する。
Ｒ_ｍｅｍ＝Ｒ_１ｃｏｓθ_１…（Ｆ１）
また、異なる周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｈにおけるインピーダンスの絶対値Ｒ_１、Ｒ_２、および位相θ_２を、以下の数式Ｆ２、Ｆ３に適用して、低周波数ｆ_Ｌにおけるインピーダンス中のガス反応抵抗Ｒ_ｃｔの特性を示す成分を算出する。
φ＝ｔａｎ^−１［（Ｒ_２ｓｉｎθ_２）／｛（Ｒ_２ｃｏｓθ_２）−Ｒ_ｍｅｍ｝］…（Ｆ２）
Ａ＝（Ｒ_２ｓｉｎθ_２）／（Ｒ_２ｓｉｎφ）…（Ｆ３）
そして、前述の数式Ｆ２、Ｆ３により得られたφ、およびＡを、以下の数式Ｆ４に適用して、ガス反応抵抗Ｒ_ｃｔを算出する。
Ｒ_ｃｔ＝Ａ／ｃｏｓφ…（Ｆ４）
図６に戻り、限界電流密度算出部５３３ｂは、燃料電池１の発電時における限界電流密度Ｉ_ｌｉｍを算出する演算部である。本実施形態の限界電流密度算出部５３３ｂは、ガス反応抵抗Ｒ_ｃｔ、およびセル１０に生ずる濃度過電圧η_ｃ等から限界電流密度Ｉ_ｌｉｍを算出する。なお、限界電流密度算出部５３３ｂは、理論起電圧Ｅｏから、セル１０の出力電圧（制御電圧）Ｅ、活性化電圧、および抵抗過電圧を引いた残りを濃度過電圧η_ｃとして算出する。

具体的には、本実施形態では、限界電流密度Ｉ_ｌｉｍを、例えば、以下の数式Ｆ５〜Ｆ９により算出する。
Ｉ_ｌｉｍ＝｛ｅ^β／（ｅ^β−１）｝Ｉ…（Ｆ５）
β＝（η_ｃｎＦ）／（２ＲＴ）…（Ｆ６）
η_ｃ＝Ｅｏ−Ｅ−η_ａ−η_Ｒ…（Ｆ７）
η_ａ＝｛（ＲＴ）／（２αＦ）｝ｌｎ（Ｉ／Ｉｏ）…（Ｆ８）
η_Ｒ＝ＩＲ_ｍｅｍ…（Ｆ９）
但し、数式Ｆ５〜Ｆ９における「Ｆ」はファラデー定数、「Ｒ」は気体定数、「Ｔ」は温度、「ｎ」は定数を示している。また、「Ｉ」は電流密度、「Ｉｏ」は交換電流密度、「Ｅ」は制御電圧、「Ｅｏ」は理論起電圧を示している。また、「η_ｃ」は濃度過電圧、「η_ａ」は活性化過電圧、「η_Ｒ」は抵抗過電圧を示し、「α」は電荷移動係数（定数）を示している。

ガス拡散抵抗算出部５３３ｃは、セパレータ１１０の各流路１１１、１１２を流通する反応ガスの触媒層１０２ａ、１０２ｂへの拡散の困難性を示すパラメータ（単位：ｓ／ｍ）であるガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}を測定する演算部である。なお、ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}は、フラッディング（内部水分量が過剰となる状態）に依拠して変化する拡散特性を示す第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔ、およびドライアップ（内部水分量が不足した状態）に依拠して変化する拡散特性を示す第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙが含まれている（Ｒ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｒ_ｗｅｔ＋Ｒ_ｄｒｙ）。

本実施形態のガス拡散抵抗算出部５３３ｃは、予めガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}と限界電流密度Ｉ_ｌｉｍおよびガス反応抵抗Ｒ_ｃｔとの相関特性を関数にモデル化し、当該相関特性をモデル化した関数に基づいて、ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。

具体的には、本実施形態のガス拡散抵抗算出部５３３ｃは、限界電流密度Ｉ_ｌｉｍおよびガス反応抵抗Ｒ_ｃｔを、以下の数式Ｆ１０に適用してガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。
Ｒ_{ｔｏｔａｌ}＝ρ（Ｉ_ｌｉｍ／Ｒ_ｃｔ）^ξ…（Ｆ１０）
ここで、数式Ｆ１０は、予めガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}、限界電流密度Ｉ_ｌｉｍ、およびガス反応抵抗Ｒ_ｃｔの相関特性をモデル化した数式の一例である。なお、数式Ｆ１０は、ガス反応抵抗Ｒｃｔ、および限界電流密度Ｉ_ｌｉｍそれぞれをガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}および反応ガスのガス濃度を変数とする関数として定義し、各関数から反応ガスのガス濃度に関する項を除去することで導出することができる。

但し、数式Ｆ１０中のρおよびξは、セル１０内の反応ガスのガス濃度を変化させた際の限界電流密度により予め測定しておいたガス拡散抵抗の実測値と、ガス反応抵抗Ｒｃｔ、および限界電流密度Ｉ_ｌｉｍから算出するガス拡散抵抗の推定値とをフィッティングして設定するパラメータ（定数）である。

第２拡散抵抗算出部５３３ｄは、抵抗算出部５３３ａにて算出したプロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍから燃料電池１内部のドライアップに依拠して変化する拡散特性を示す第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙを算出する演算部である。

この第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙは、プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍと同様に、燃料電池１内部の湿度ＲＨの低下に応じて増大する特性を有する。なお、プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍは、以下の数式Ｆ１１に示すように、燃料電池１内の湿度ＲＨに相関性を有し、第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙは、以下の数式Ｆ１２に示すように、燃料電池１内の湿度ＲＨに相関性を有する拡散係数Ｄ_ｄｒｙの逆数に比例する。
ＲＨ∝Ｂ（Ｒ_ｍｅｍ）^Ｃ…（Ｆ１１）
Ｒ_ｄｒｙ∝Ｄ（σ／Ｄ_ｄｒｙ）…（Ｆ１２）
但し、数式Ｆ１１中の「Ｂ」および「Ｃ」は定数を示している。また、数式Ｆ１２中の「Ｄ」は定数、「σ」は拡散層１０３ａ、１０３ｂの厚みを示している。

本実施形態の第２拡散抵抗算出部５３３ｄは、まず、メモリ５３０に予め記憶されたプロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍと燃料電池１内の湿度ＲＨとの相関関係を規定した制御マップを用いて、プロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍから燃料電池１内の湿度ＲＨを算出する。

そして、第２拡散抵抗算出部５３３ｄは、メモリ５３０に予め記憶された燃料電池１内の湿度ＲＨと拡散係数Ｄ_ｄｒｙとの相関関係を規定した制御マップ、および数式Ｆ１２を用いて、先に算出した燃料電池１内の湿度ＲＨから第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙを算出する。

第１拡散抵抗算出部５３３ｅは、ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}から第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙを除去して、燃料電池１内部のフラディングに依拠して変化する拡散特性を示す第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔを算出する演算部である。

本実施形態の第１拡散抵抗算出部５３３ｅは、ガス拡散抵抗算出部５３３ｃにて算出したガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}から第２拡散抵抗算出部５３３ｄで算出した第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙを減算した値を第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔ（＝Ｒ_{ｔｏｔａｌ}−Ｒ_ｄｒｙ）として算出する。

水分量算出部５３３ｆは、第１拡散抵抗算出部５３３ｅにて算出した第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔを、セル積層方向の中段部に位置するセル１０の内部水分量に換算するものである。なお、水分量算出部５３３ｆは、算出した内部水分量を第１内部水分量Ｗ１としてメモリ５３０に記憶する。

本実施形態の水分量算出部５３３ｆでは、図９に示すセル１０の第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔが変化した際のセル１０内部における水分量の測定結果から求めた以下の近似式Ｆ１３に、第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔを適用して内部水分量Ｗを算出する。
Ｗ＝１０^−８Ｒ_ｗｅｔ ^４−１０^−７Ｒ_ｗｅｔ ^３−１０^−５Ｒ_ｗｅｔ ^２＋７×Ｒ_ｗｅｔ ^−４…（Ｆ１３）
図６に戻り、温度算出部５３４は、燃料電池１におけるセル積層方向の温度分布を算出する演算部である。なお、本実施形態では、温度算出部５３４が「温度算出手段」を構成している。

ここで、図１０は、燃料電池１の発電時におけるセル積層方向の温度、１セル当りの内部水分量、圧力損失、反応ガスのガス流量（１セル当り）を実際に測定した測定結果を示している。

図１０に示すように、燃料電池１の発電時には、セル積層方向の中段部の温度Ｔ１が比較的安定した温度となるのに対して、セル積層方向の積層端部の温度Ｔ２が中段部に比べて低温となる傾向がある。理由としては、セル積層方向の積層端部は、中段部に比べて外部に露出する部位の面積が大きく、外気温の影響を受け易いことが挙げられる。

そこで、本実施形態の温度算出部５３４は、燃料電池１における温度分布が生じ易いセル積層方の中段部、および積層端部それぞれの温度Ｔ１、Ｔ２を算出するように構成されている。

本実施形態の温度算出部５３４では、燃料電池１における放熱量、および燃料電池１における発熱量を計算し、その計算結果に基づいて、燃料電池１におけるセル積層方向の中段部の温度Ｔ１、および積層端部の温度Ｔ２それぞれを算出する。なお、温度算出部５３４における中段部の温度Ｔ１、および積層端部の温度Ｔ２の具体的な算出方法については後述する。

第２水分量推定部５３５は、セル積層方向の積層端部に位置するセル１０の内部水分量を第２内部水分量として推定する演算部である。なお、本実施形態では、第２水分量推定部５３５が「第２水分量推定手段」を構成している。

ここで、本発明者らの調査によれば、燃料電池１における１セル当たりの内部水分量は、燃料電池１におけるセル積層方向の温度分布に相関性があることが判っている。具体的には、図１０に示すように、比較的安定した温度となるセル積層方向の中段部に位置するセル１０の内部水分量Ｗ１が少ないのに対して、中段部に比べて低温となるセル積層方向の積層端部に位置するセル１０の内部水分量Ｗ２が、中段部に比べて多くなる傾向がある。

この理由としては、燃料電池１におけるセル積層方向の積層端部に位置するセル１０では、セル積層方向の中段部に比べて低温となることで、反応ガス中の水蒸気が凝縮し易いことが考えられる。

そこで、本実施形態の第２水分量推定部５３５では、第１水分量推定部５３３の推定結果、および温度算出部５３４の算出結果に基づいて、セル積層方向の積層端部に位置するセル１０の内部水分量を「第２内部水分量」として推定する。なお、第２水分量推定部５３５における第２内部水分量の具体的な推定方法については後述する。

図１に戻り、燃料電池監視装置５の制御装置５４について説明する。制御装置５４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、記憶手段を構成する各種メモリ５４ａ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５４の入力側には、信号処理装置５３等が接続されており、各入力機器から出力信号が入力される。また、制御装置５４の出力側には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、空気ポンプ２１、循環ポンプ４１、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、電磁弁３３といった各種制御機器が接続されており、これら制御機器が制御装置５４からの制御信号により制御される。

本実施形態の制御装置５４は、各種制御機器を制御することで、燃料電池１にて出力する電力を調整する電力調整処理、燃料電池１の内部水分量を調整する水分量調整処理、燃料電池１へ供給する冷却水の温度や流量を調整する冷却水調整処理を実行する。

なお、本実施形態では、制御装置５４における電力調整処理を実行する構成が電力調整手段５４ｂを構成し、制御装置５４における水分量調整処理を実行する構成が水分量制御手段５４ｃを構成している。また、本実施形態では、制御装置５４における冷却水調整処理を実行する構成が冷却水調整手段５４ｅを構成している。

次に、本実施形態の燃料電池監視装置５における燃料電池１の内部水分量の監視について、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、信号処理装置５３および制御装置５４が実行する処理をまとめたもので、燃料電池１の発電状態において周期的に実行される。

図１１に示すように、まず、燃料電池１におけるセル積層方向の中段部に位置するセル１０の内部水分量を第１内部水分量Ｗ１として推定する（Ｓ１０）。このステップＳ１０の処理については、図１２に示すフローチャートを用いて説明する。

図１２に示すように、まず、信号処理装置５３の信号重畳部５３１にて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して、燃料電池１の出力電流に予め定めた高周波数の交流信号および低周波数の交流信号を重畳する（Ｓ１００）。

続いて、信号重畳部５３１にて交流信号を付加した際の電流測定部５１、および電圧測定部５２の出力信号（検出値）を読み込む（Ｓ１１０）。そして、信号処理装置５３のインピーダンス算出部５３２にて、異なる周波数それぞれに対応するインピーダンスを算出する（Ｓ１２０）。

続いて、信号処理装置５３の第１水分量推定部５３３にて、セル積層方向の中段部に位置するセル１０における第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔを算出する（Ｓ１３０）。このステップＳ１３０の処理の詳細については、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、まず、第１水分量推定部５３３の抵抗算出部５３３ａにて、セル積層方向の中段部に位置するセル１０のプロトン移動抵抗Ｒ_ｍｅｍおよびガス反応抵抗Ｒ_ｃｔを算出する（Ｓ１３１）。そして、限界電流密度算出部５３３ｂにて、限界電流密度Ｉ_ｌｉｍを算出する（Ｓ１３２）。

そして、第１水分量推定部５３３のガス拡散抵抗算出部５３３ｃにて、ガス反応抵抗Ｒ_ｃｔおよび限界電流密度Ｉ_ｌｉｍに基づいて、セル積層方向の中段部に位置するセル１０のガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}を算出する（Ｓ１３３）。また、第１水分量推定部５３３の第２拡散抵抗算出部５３３ｄにて、セル積層方向の中段部に位置するセル１０の第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙを算出する（Ｓ１３４）。

次に、ステップＳ１３３で算出したガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}からステップＳ１３４で算出した第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙを除去して、セル積層方向の中段部に位置するセル１０の第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔを算出する（Ｓ１３５）。

図１２に戻り、第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔの測定処理が完了すると、第１水分量推定部５３３の水分量算出部５３３ｆにて、第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔからセル積層方向の中段部に位置するセル１０の内部水分量を第１内部水分量Ｗ１として算出する（Ｓ１４０）。なお、本実施形態の第１水分量推定部５３３では、算出した第１内部水分量Ｗ１をメモリ５３０に記憶する。

図１１に戻り、信号処理装置５３の温度算出部５３４にて、燃料電池１におけるセル積層方向の中段部の温度Ｔ１、および積層端部の温度Ｔ２を算出する（Ｓ２０）。このステップＳ２０の処理については、図１４に示すフローチャートを用いて説明する。

図１４に示すように、まず、冷却水の温度、冷却水の流量、燃料電池１周囲の温度（外気温）、燃料電池１の発電時に出力される電力（出力電流、制御電圧）等の各種信号を読み込む（Ｓ２００）。なお、冷却水の流量Ｇｗについては、冷却水回路４０に設けられた循環ポンプ４１の回転数から推定し、燃料電池１の発電時に出力される電力については、ＤＣ−ＤＣコンバータ２にて検出する。

続いて、冷却水の温度Ｔｗ、流量Ｇｗ、外気温に基づいて、燃料電池１全体における放熱量Ｑ１を算出する（Ｓ２１０）。このステップＳ２１０では、予め冷却水の温度Ｔｗ、流量Ｇｗ、外気温と、放熱量Ｑ１との相関関係を規定した制御マップを参照して、燃料電池１全体における放熱量Ｑ１を算出する。

また、燃料電池１の発電時に出力される電電力（出力電流、制御電圧）に基づいて、燃料電池１全体の発熱量Ｑ１を算出する（Ｓ２２０）。このステップＳ２２０では、予め燃料電池１の発電時に出力される電力と、発熱量Ｑ２との相関関係を規定した制御マップを参照して、燃料電池１全体における発熱量Ｑ２を算出する。

続いて、ステップＳ２１０で算出した放熱量Ｑ１、ステップＳ２２０で算出した発熱量Ｑ２に基づいて、中段部の温度Ｔ１を算出する（Ｓ２３０）。具体的には、ステップＳ２３０では、図１５に示す燃料電池１における放熱量Ｑ１、発熱量Ｑ２と中段部の温度Ｔ１との相関関係を規定した制御マップを参照して、中段部の温度Ｔ１を算出する。

また、ステップＳ２１０で算出した放熱量Ｑ１、ステップＳ２２０で算出した発熱量Ｑ２に基づいて、積層端部の温度Ｔ２を算出する（Ｓ２４０）。具体的には、ステップＳ２４０では、図１６に示す燃料電池１における放熱量Ｑ１、発熱量Ｑ２と積層端部の温度Ｔ２との相関関係を規定した制御マップを参照して、積層端部の温度Ｔ２を算出する。

なお、燃料電池１におけるセル積層方向の積層端部の温度Ｔ２は、中段部の温度Ｔ１に比べて、放熱量Ｑ２の増大に伴う低下率が大きくなる傾向がある。このため、図１６に示す制御マップは、図１５に示す制御マップに比べて、放熱量Ｑ２の増加に対する温度の低下率（傾き）が大きくなるように設定されている。

図１１に戻り、信号処理装置５３の第２水分量推定部５３５にて、燃料電池１におけるセル積層方向の積層端部に位置するセル１０の内部水分量を第２内部水分量Ｗ２として推定する（Ｓ３０）。このステップＳ３０の処理については、図１７に示すフローチャートを用いて説明する。

図１７に示すように、まず、ステップＳ２０にて算出した燃料電池１におけるセル積層方向の中段部の温度Ｔ１から、中段部の飽和水蒸気圧ｈ１を算出する（Ｓ３００）。なお、ステップＳ３００では、予め反応ガスの温度と飽和水蒸気圧との関係（飽和水蒸気圧特性）を規定した制御マップやＴｅｔｅｎｓの公式等を参照して、中段部の飽和水蒸気圧ｈ１を算出する。

続いて、ステップＳ２０にて算出した燃料電池１におけるセル積層方向の積層端部の温度Ｔ２から、積層端部の飽和水蒸気圧ｈ２を算出する（Ｓ３１０）。なお、ステップＳ３１０では、予め反応ガスの温度と飽和水蒸気圧との関係（飽和水蒸気圧特性）を規定した制御マップやＴｅｔｅｎｓの公式等を参照して、積層端部の飽和水蒸気圧ｈ２を算出する。

そして、燃料電池１におけるセル積層方向の積層端部の飽和水蒸気圧ｈ２から中段部の飽和水蒸気圧ｈ１を減算して、積層端部および中段部の飽和水蒸気圧の差分Δｈ（＝ｈ２−ｈ１）を算出する（Ｓ３２０）。

続いて、ステップＳ１０にて算出した第１内部水分量Ｗ１、およびステップＳ３２０にて算出した積層端部および中段部の飽和水蒸気圧の差分Δｈからセル積層方向の積層端部に位置するセル１０の内部水分量を第２内部水分量Ｗ２として算出する（Ｓ３３０）。

具体的には、ステップＳ３３０では、積層端部および中段部の飽和水蒸気圧の差分Δｈから中段部および積層端部における内部水分量の差分ΔＷを算出し、この差分ΔＷを第１内部水分量Ｗ１に加算することで、第２内部水分量を算出する。この際、中段部および積層端部における内部水分量の差分ΔＷについては、予め飽和水蒸気圧の差分Δｈと内部水分量の差分ΔＷとの相関関係を規定した制御マップを参照して算出する。なお、本実施形態の第２水分量推定部５３５では、算出した第２内部水分量Ｗ２をメモリ５３０に記憶する。

図１１に戻り、燃料電池１におけるセル積層方向の積層端部を流れる反応ガス（本実施形態では、酸化剤ガス）のガス流量Ｖ２を算出する（Ｓ４０）。なお、本実施形態では、積層端部に位置するセル１０内部を流れる反応ガスのガス流量Ｖ２を推定する処理（Ｓ４０）がガス流量推定手段を構成している。

このステップＳ４０の処理については、図１８に示すフローチャートを用いて説明する。図１８に示すように、まず、ステップＳ１０で算出した第１内部水分量Ｗ１から燃料電池１におけるセル積層方向の中段部に位置するセル１０内部の圧力損失Ｐ１を算出する（Ｓ４００）。ステップＳ４００では、中段部に位置するセル１０内部の圧力損失Ｐ１として、湿潤状態における圧力損失と乾燥状態における圧力損失の比であるＷｅｔ／Ｄｒｙ圧損比を算出する。このＷｅｔ／Ｄｒｙ圧損比は、図１９に示すように、内部水分量と相関性を有していることから、ステップＳ４００では、予めＷｅｔ／Ｄｒｙ圧損比と内部水分量との関係を規定した制御マップを参照して、中段部に位置するセル１０内部の圧力損失Ｐ１を算出する。

続いて、ステップＳ３０で算出した第２内部水分量Ｗ２から燃料電池１におけるセル積層方向の積層端部に位置するセル１０内部の圧力損失Ｐ２を算出する（Ｓ４１０）。ステップＳ４１０では、積層端部に位置するセル１０内部の圧力損失Ｐ２として、湿潤状態における圧力損失と乾燥状態における圧力損失の比であるＷｅｔ／Ｄｒｙ圧損比を算出する。なお、ステップＳ４１０では、予めＷｅｔ／Ｄｒｙ圧損比と内部水分量との関係を規定した制御マップを参照して、積層端部に位置するセル１０内部の圧力損失Ｐ２を算出する。

続いて、燃料電池１におけるセル積層方向の積層端部の圧力損失Ｐ２から中段部の圧力損失Ｐ１を減算して、積層端部および中段部の圧力損失の差分ΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）を算出する（Ｓ４２０）。

そして、燃料電池１への反応ガス（本実施形態では、酸化剤ガス）の供給量Ｖを算出する（Ｓ４３０）。なお、燃料電池１への反応ガスの供給量Ｖは、空気ポンプ２１の回転数および空気調圧弁２３の絞り開度により変化する。このため、本実施形態では、空気ポンプ２１の回転数および空気調圧弁２３の絞り開度から逆算して、燃料電池１への反応ガスの供給量Ｖを算出する。

ここで、図１０や図２０に示すように、燃料電池１では、圧力損失（Ｗｅｔ／Ｄｒｙ圧損比）が大きくなるに伴い、反応ガスのガス流量が低下する。具体的には、積層端部では中段部に比べて圧力損失が大きいことから、積層端部に流れる反応ガスのガス流量Ｖ２が燃料電池１への反応ガスの供給量Ｖに対して低下する。

そこで、燃料電池１への反応ガスの供給量Ｖ、および積層端部および中段部の圧力損失の差分ΔＰから、積層端部に位置するセル１０に流れる反応ガスのガス流量Ｖ２を算出する（Ｓ４４０）。なお、ステップＳ４４０では、燃料電池１への反応ガスの供給量Ｖから、積層端部および中段部の圧力損失の差分ΔＰをガス流量に換算した値を減算して、積層端部に位置するセル１０に流れる反応ガスのガス流量Ｖ２を算出する。

図１１に戻り、積層端部に位置するセル１０のガス流量Ｖ２が予め定めた基準ガス流量Ｖｔｈよりも大きいか否かを判定する（Ｓ５０）。なお、基準ガス流量Ｖｔｈは、積層端部に位置するセル１０の内部水分量が過剰となった際のガス流量に設定されている。

ステップＳ５０の判定処理の結果、積層端部に位置するセル１０のガス流量Ｖ２が基準ガス流量Ｖｔｈよりも大きいと判定された場合、積層端部に位置するセル１０の内部水分量が過剰となっていないと判断できるので、異常がないとして処理を終える。

一方、ステップＳ５０の判定処理の結果、積層端部に位置するセル１０のガス流量Ｖ２が基準ガス流量Ｖｔｈ以下と判定された場合、積層端部に位置するセル１０の内部水分量が過剰となっていると判断できるので、水分量調整処理を実行して（Ｓ６０）、再びステップＳ１０に戻る。

ここで、本実施形態の水分量調整処理は、積層端部に位置するセル１０の内部水分量を減少させる処理である。本実施形態の水分量調整処理は、例えば、空気ポンプ２１および各調圧弁２３を制御して、反応ガス（本実施形態では、酸化剤ガス）の供給圧力を低下さると共に供給量を増加させる。これにより、燃料電池１内部に存する余剰な水分が外部へ排出され易くなることで、積層端部に位置するセル１０の内部水分量を減少させることができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池監視装置５では、燃料電池１における中段部に位置するセル１０の内部水分量の推定値（第１内部水分量）、および中段部と積層端部の温度から、積層端部に位置するセル１０の内部水分量（第２内部水分量）を推定する構成としている。

これによれば、燃料電池１におけるセル積層方向の中段部に位置するセル１０のインピーダンスを算出するだけでよいので、インピーダンスを算出するための構成機器が増加することがない。従って、本実施形態の燃料電池監視装置５、インピーダンスを算出するための構成機器の肥大化を抑制しつつ、セル積層方向における燃料電池１の内部水分量のばらつきを把握することができる。

また、本実施形態の燃料電池監視装置５では、燃料電池１における放熱量Ｑ１および発熱量Ｑ２から積層端部および中段部それぞれの温度を計算により算出する構成としている。これによれば、積層端部および中段部それぞれの温度を検知する専用の検知手段が不要となるため、燃料電池監視装置５の装置構成のさらなる簡素化を図ることができる。

さらに、本実施形態の燃料電池監視装置５は、制御装置５４にて、燃料電池１の内部水分量を調整する水分量調整処理を実行する構成としている。これによれば、燃料電池１の内部水分量を適正量に維持することができるので、燃料電池１を出力のバラツキを抑制して、燃料電池１を効率良く運転させることが可能となり、燃料電池１の燃費向上を図ることができる。

さらにまた、本実施形態の燃料電池監視装置５は、ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}から第２拡散抵抗Ｒ_ｄｒｙを除去することで、第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔを算出する構成としている。これにより、燃料電池１内部のフラディングに依拠して変化する拡散特性を第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔとして定量化して測定することができる。この結果、燃料電池内部の水分量が過剰となるような状態をより的確に把握することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお、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。

本実施形態の燃料電池監視装置５は、水分量調整処理に加えて、燃料電池１におけるセル積層方向の積層端部の温度および中段部の温度の温度差を縮小させる温度調整処理を実行する構成としている。

本実施形態の制御装置５４は、燃料電池１にて出力する電力を調整すると共に、燃料電池１へ供給する冷却水の温度や流量を調整することで、燃料電池１におけるセル積層方向の積層端部の温度および中段部の温度の温度差を縮小する。なお、本実施形態では、制御装置５４における温度調整処理を実行する構成（電力調整手段５４ｂおよび冷却水調整手段５４ｅ）が「温度制御手段」を構成している。

本実施形態の制御装置５４が実行する温度調整処理については、図２１に示すフローチャートを用いて説明する。図２１に示す制御ルーチンは、信号処理装置５３および制御装置５４が実行する処理をまとめたもので、第１実施形態で説明した「水分量調整処理」と制御干渉が生じないように、燃料電池１の発電が抑制される発電抑制状態（アイドリング状態）において周期的に実行される。

図２１に示すように、まず、燃料電池１におけるセル積層方向の中段部および積層端部の温度差ΔＴを算出する（Ｓ７０）。このステップＳ７０では、図１１のステップＳ２０の処理と同様手法により、中段部の温度Ｔ１および積層端部の温度Ｔ２を算出した後、中段部の温度Ｔ１から積層端部の温度Ｔ２を減算した値を温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）として算出する。

続いて、中段部および積層端部の温度差ΔＴが、予め定めた基準温度差ΔＴｔｈ（例えば、５℃〜１０℃）より小さいか否かを判定する（Ｓ８０）。この結果、中段部および積層端部の温度差ΔＴが、基準温度差ΔＴｔｈよりも小さいと判定された場合、異常がないとして処理を終える。

一方、ステップＳ８０の判定処理の結果、中段部および積層端部の温度差ΔＴが、基準温度差ΔＴｔｈ以上と判定された場合、温度調整処理を実行して（Ｓ９０）、再びステップＳ７０に戻る。

温度調整処理では、燃料電池１の発熱量を増大させる昇温促進処理、および燃料電池１を冷却する冷却水の外部への放熱量を減少させた状態で燃料電池１内部における冷却水の循環量を増大させる伝熱促進処理を実行する。さらに、本実施形態の温度調整処理では、前述の昇温促進処理および伝熱促進処理を実行した後、積層端部の温度Ｔ２が予め設定された目標温度Ｔｏに維持されるように冷却水の循環量を調整する温度維持処理を実行する。なお、本実施形態の温度調整処理の具体的な内容について、図２２に示すフローチャートを用いて説明する。

図２２に示すように、制御装置５４は、まず、燃料電池１に接続された二次電池の蓄電残量（ＳＯＣ）や、冷却水の温度Ｔｗ、燃料電池１の負荷電流（出力電流）といった各種状態を読み込む（Ｓ９００）。

続いて、制御装置５４は、燃料電池１の発熱量を増大させる昇温促進処理を実行する（Ｓ９１０）。この昇温促進処理では、燃料電池１をアイドリング状態から所定電流を出力する発電状態に移行すると共に、燃料電池１へ供給する反応ガス（酸化剤ガス）の供給量を低下させることで、意図的にエネルギ損失を発生させて燃料電池１を昇温させる。なお、昇温促進処理の際に燃料電池１で生ずる電気エネルギは、二次電池に蓄えるようにすればよい。この際、燃料電池１を発電状態に移行させる際の所定電流の電流値、および発電状態に維持する期間は、二次電池の蓄電残量が所定容量（例えば９０％）を超えないように設定することが望ましい。

また、制御装置５４は、燃料電池１を冷却する冷却水の外部への放熱量を減少させた状態で燃料電池１内部における冷却水の循環量を増大させる伝熱促進処理を実行する（Ｓ９２０）。

この伝熱促進処理では、冷却水回路４０を流路切替弁４５によって冷却水がラジエータ４３を迂回してバイパス流路４４に流れる回路構成に設定し、燃料電池１を冷却する冷却水の外部への放熱量を減少させる。この状態で、循環ポンプ４１の回転数を高くして、燃料電池１内部における冷却水の循環量を増大させる。これにより、燃料電池１の高温となる中段部で昇温した冷却水が、燃料電池１の低温となる積層端部で放熱することで、積層端部と中段部との温度差が縮小する。なお、伝熱促進処理では、電動ファン４２を停止して燃料電池１を冷却する冷却水の外部への放熱量を減少させるようにしてもよい。

続いて、燃料電池１におけるセル積層方向の積層端部の温度Ｔ２を算出し（Ｓ９３０）、当該積層端部の温度Ｔ２が、予め定めた目標温度Ｔｏよりも高くなったか否かを判定する（Ｓ９４０）。なお、積層端部の温度Ｔ２は、図１１のステップＳ２０の処理と同様手法により算出すればよい。

ステップＳ９４０の判定処理の結果、積層端部の温度Ｔ２が目標温度Ｔｏよりも高くなっていないと判定された場合、ステップＳ９００に戻り、昇温促進処理および伝熱促進処理を継続する。

一方、積層端部の温度Ｔ２が目標温度Ｔｏよりも高くなっていると判定された場合、昇温促進処理および伝熱促進処理を停止して、積層端部の温度Ｔ２を目標温度Ｔｏに維持する温度維持処理を実行する（Ｓ９６０）。この温度維持処理では、積層端部の温度Ｔ２が目標温度Ｔｏに維持されるように、冷却水の循環流量を循環ポンプ４１で制御すると共に、ラジエータ４３へ流入させる冷却水の流量を流路切替弁４５で制御する。

以上説明した本実施形態の燃料電池監視装置５では、燃料電池１におけるセル積層方向に温度分布が生じた際に、前述の温度調整処理（Ｓ９０）を実行する構成としている。これによれば、燃料電池１における温度分布を均一化させることができる。

なお、本実施形態の如く、温度調整処理として、昇温促進処理（Ｓ９１０）および伝熱促進処理（Ｓ９２０）の実行後に、温度維持処理（Ｓ９５０）を実行することが望ましいが、これに限定されず、温度維持処理を省略してもよい。

また、図２２に示すフローチャートでは、昇温促進処理（Ｓ９１０）の実行後に伝熱促進処理（Ｓ９２０）を実行する流れとなっているが、これに限定されず、例えば、昇温促進処理（Ｓ９１０）および伝熱促進処理（Ｓ９２０）を同時実行してもよい。

さらに、伝熱促進処理（Ｓ９２０）の実行時には、循環ポンプ４１の作動に伴う騒音を抑制するために、騒音を考慮して定めた上限回転数以下の範囲内で、循環ポンプ４１の回転数を増加させることが望ましい。

（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、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。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、セル積層方向の中段部（一方の部位）に位置するセル１０の内部水分量を第１内部水分量として推定し、セル積層方向の積層端部（他方の部位）に位置するセル１０の内部水分量を第２内部水分量として推定する例について説明したが、これに限定されない。

例えば、セル積層方向の積層端部に位置するセル１０の内部水分量を第１内部水分量として推定し、当該第１内部水分量を用いて、セル積層方向の中段部に位置するセル１０の内部水分量を第２内部水分量として推定するようにしてもよい。この場合、電圧測定部５２にてセル積層方向の積層端部に位置するセル１０の出力電圧を検出するように変更し、インピーダンス算出部５３２にて、セル積層方向の積層端部に位置するセル１０のインピーダンスを測定すればよい。

（２）上述の各実施形態の如く、燃料電池監視装置５の装置構成の簡素化を図る上では、セル積層方向の積層端部および中段部の温度を温度算出部５３４に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、セル積層方向の積層端部および中段部それぞれに温度センサ（温度算出手段）を配置し、当該温度センサによりセル積層方向の積層端部および中段部の温度を算出してもよい。

（３）上述の各実施形態では、インピーダンス算出部５３２にて算出されたインピーダンスから第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔを算出し、当該第１拡散抵抗Ｒ_ｗｅｔに基づいて、中段部に位置するセル１０の内部水分量を推定する例について説明したが、これに限定されない。例えば、インピーダンス算出部５３２にて算出されたインピーダンスからガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}を算出し、当該ガス拡散抵抗Ｒ_{ｔｏｔａｌ}に基づいて、中段部に位置するセル１０の内部水分量を推定するようにしてもよい。

（４）上述の第１実施形態では、セル積層方向の積層端部に位置するセル１０のガス流量Ｖ２が基準ガス流量以下となった際に、水分量調整処理（Ｓ６０）を実行する例について説明したが、これに限定されない。例えば、セル積層方向の積層端部に位置するセル１０の内部水分量Ｗ２が基準水分量以下となった際に、水分量調整処理（Ｓ６０）を実行するようにしてもよい。

（５）上述の各実施形態では、セル１０の局所部位を流れる電流を検出する電流測定部５１を電流検出手段として用いる例について説明したが、これに限らず、例えば、燃料電池１全体の出力電流を検出する電流センサを電流検出手段として用いてもよい。

また、電流測定部５１は、セル１０内部に配置するようにしてもよい。これによれば、電流測定部５１の配置に伴って燃料電池１のセル積層方向の体格が大きくなってしまうことを抑制できる。

（６）上述の各実施形態では、セル積層方向の中段部に位置するセル１０に接続された電圧測定部（電圧検出手段）５２により、セル積層方向の中段部に位置するセル１０の出力電圧を検出する例について説明したが、これに限定されない。

セル積層方向の中段部に位置するセル１０の出力電圧は、燃料電池１全体の出力電圧の平均値と殆ど同様の値となる。このため、電圧測定部（電圧検出手段）５２として、燃料電池１全体の出力電圧を検出し、検出した電圧値をセル数で割った値を、セル積層方向の中段部に位置するセル１０の出力電圧として出力するものを採用してもよい。

（７）上述の実施形態の如く、燃料電池１を効率よく運転させるためには、燃料電池監視装置５にて水分量調整処理を実行することが望ましいが、これに限定されず、例えば、その旨を乗員等に対して報知するようにしてもよい。

（８）上述の各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

（９）上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

（１０）上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

１ 燃料電池
１０ セル
５１ 電流測定部（電流検出手段）
５２ 電圧測定部（電圧検出手段）
５３１ 信号重畳部（信号重畳手段）
５３２ インピーダンス算出部（インピーダンス算出手段）
５３３ 第１水分量推定部（第１水分量推定手段）
５３４ 温度算出部（温度算出手段）
５３５ 第２水分量推定部（第２水分量推定手段）

Claims (8)

1. 反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されることで、電気エネルギを出力するセル（１０）を複数積層して構成される燃料電池（１）を監視する燃料電池監視装置であって、
   前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段（５１）と、
   前記燃料電池におけるセル積層方向の中段部、および前記セル積層方向の積層端部のうち、一方の部位に位置する前記セルの電圧を検出する電圧検出手段（５２）と、
   前記燃料電池の出力信号に異なる周波数の信号を重畳する信号重畳手段（５３１）と、
   前記信号重畳手段により前記異なる周波数の信号が重畳された際の前記電流検出手段の検出電流、および前記電圧検出手段の検出電圧から前記異なる周波数毎のインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（５３２）と、
   前記インピーダンス算出手段にて算出された前記異なる周波数毎のインピーダンスから前記一方の部位における１セル当りの内部水分量を第１内部水分量として推定する第１水分量推定手段（５３３）と、
   前記積層端部の温度および前記中段部の温度を算出する温度算出手段（５３４）と、
   前記第１水分量推定手段にて推定された前記第１内部水分量、並びに、前記温度算出手段にて算出された前記積層端部の温度（Ｔ２）および前記中段部の温度（Ｔ１）に基づいて、前記中段部および前記積層端部のうち、他方の部位における１セル当りの内部水分量を第２内部水分量として推定する第２水分量推定手段（５３５）と、
   を備えることを特徴とする燃料電池監視装置。
2. 前記第２水分量推定手段は、前記温度算出手段にて算出された前記中段部の温度および前記積層端部の温度それぞれに対応する飽和水蒸気圧の差分（Δｈ）から前記中段部および前記積層端部における内部水分量の差分（ΔＷ）を算出し、算出した前記内部水分量の差分、および前記第１内部水分量から前記第２内部水分量を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池監視装置。
3. 前記温度算出手段は、前記燃料電池内部を循環する冷却水の温度、前記冷却水の流量、および外気温に基づいて前記燃料電池における放熱量（Ｑ１）を算出すると共に、前記燃料電池の発電時に出力される電力に基づいて前記燃料電池における発熱量（Ｑ２）を算出し、算出した前記放熱量および前記発熱量に基づいて、前記積層端部の温度、および前記中段部の温度それぞれを算出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池監視装置。
4. 前記第１水分量推定手段は、前記インピーダンス算出手段にて算出された前記異なる周波数毎のインピーダンスに基づいて、プロトン移動抵抗（Ｒ_ｍｅｍ）、およびガス反応抵抗（Ｒ_ｃｔ）それぞれを算出し、算出された前記プロトン移動抵抗および前記ガス反応抵抗に基づいて、前記第１内部水分量を推定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監視装置。
5. 前記第１内部水分量および前記第２内部水分量に基づいて、前記中段部における圧力損失（Ｐ１）と前記積層端部における圧力損失（Ｐ２）との圧力損失の差分（ΔＰ）を算出すると共に、前記燃料電池への前記反応ガスの供給量および前記圧力損失の差分を用いて、前記積層端部を流れる前記反応ガスのガス流量（Ｖ２）を推定するガス流量推定手段（Ｓ４０）と、
   前記ガス流量推定手段にて推定された前記ガス流量が、予め定めた基準ガス流量（Ｖｔｈ）以下となった際に、前記積層端部における内部水分量を減少させる水分量調整処理を実行する水分量制御手段（５４ｃ）と、
   を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池監視装置。
6. 前記温度算出手段にて算出された前記積層端部の温度と前記中段部の温度との温度差が予め設定された基準温度差（ΔＴｔｈ）以上に拡大した際に、前記積層端部の温度および前記中段部の温度の温度差を縮小させる温度調整処理（Ｓ９０）を実行する温度制御手段（５４ｂ、５４ｄ）を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池監視装置。
7. 前記温度制御手段は、前記温度調整処理として、前記燃料電池の発熱量を増大させる昇温促進処理（Ｓ９１０）、および前記燃料電池を冷却する冷却水の外部への放熱量を減少させた状態で前記燃料電池内部における前記冷却水の循環量を増大させる伝熱促進処理（Ｓ９２０）を実行することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池監視装置。
8. 前記温度制御手段は、前記昇温促進処理および前記伝熱促進処理を実行した後、前記積層端部の温度が予め設定された目標温度に維持されるように前記冷却水の循環量を調整する温度維持処理（Ｓ９５０）を実行することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池監視装置。

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