JP6686920B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
従来、固体高分子型の燃料電池内の乾燥度合を把握する技術として、高周波領域におけるインピーダンスと低周波領域におけるインピーダンスに基づいて、電解質膜の含水量および触媒層の含水量を算出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、高周波である１ｋＨｚ付近における燃料電池のインピーダンスを高周波領域におけるインピーダンスとして測定する旨が記載されている。
特開２０１０−１６５４６３号公報
ところで、高周波である１ｋＨｚ付近における燃料電池のインピーダンスを測定するためには、動作周波数が高い制御機器が必要となる。このことは、燃料電池システムのコストを著しく増大させる要因となることから好ましくない。
本発明は上記点に鑑みて、動作周波数が高い制御機器がなくとも固体高分子型の燃料電池の内部の乾燥度合を把握可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明者らは、燃料電池に対して低周波信号を重畳させた際の燃料電池のインピーダンス（以下、低周波インピーダンスと呼ぶことがある。）の特性について調査研究を重ねた。
この結果、燃料電池に対する酸化剤ガスの供給量が不足した状態における低周波インピーダンスは、燃料電池に対して高周波信号を重畳させた際の燃料電池のインピーダンスと同様に変化することが判った。
上述の知見を鑑み、請求項１に記載の発明は、
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを出力する固体高分子型の燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
燃料電池に対して所定の基準周波数以下の低周波数の低周波信号を重畳させる低周波重畳部（５１０）と、
低周波重畳部にて低周波信号が重畳され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部（５２０）と、
インピーダンス算出部で算出されたインピーダンスに基づいて、燃料電池の内部における乾燥度合を診断する診断部（５３０）と、
燃料電池における酸化剤ガスのガス量を調整する酸化剤ガス量調整部（２２、２３、２４）と、を備え、
診断部は、酸化剤ガス量調整部によって酸化剤ガスのガス量が所定の基準ガス量以下に調整された際に、インピーダンスに基づいて、燃料電池の内部における乾燥度合を診断する構成となっている。
このように、酸化剤ガスが不足した状態において燃料電池のインピーダンスを算出する構成とすれば、動作周波数の高い制御機器がなくとも、動作周波数の低い制御機器によって、固体高分子型の燃料電池内の乾燥度合を把握することが可能となる。
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。
実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池のセルの模式的な断面図である。 燃料電池のセルの内部構造の模式図である。 燃料電池システムの診断装置の模式的な構成図である。 交流成分ΔＩ付加部で燃料電池の出力電流に重畳させる低周波信号を説明するための説明図である。 燃料電池に対して酸化剤ガスが充分に供給されている際の空気極側における化学反応を説明するための説明図である。 燃料電池への酸化剤ガスの供給量が不足している際のセルの内部における化学反応を説明するための説明図である。 燃料電池に対する空気の供給量を低下させた際の低周波インピーダンスの変化を説明するための説明図である。 燃料電池システムの診断制御部が実行する診断処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池システムの診断制御部が実行する含水量回復処理の流れを示すフローチャートである。
本発明の一実施形態について図１〜図１０に基づいて説明する。本実施形態では、本発明の燃料電池システム１を、電気自動車の一種である燃料電池自動車に適用した例について説明する。
燃料電池システム１は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（例えば、空気）との電気化学反応を利用して電気エネルギを出力する燃料電池１０を備える。本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子型の燃料電池（PEFC：Proton Exchange membrane Fuel Cell）を採用している。燃料電池１０は、発電により発生した直流電流をＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを介して、図示しない車両走行用の電動モータや二次電池といった電気負荷に供給する。
燃料電池１０は、基本単位となるセル１０ａを複数積層配置したスタック構造となっている。複数のセル１０ａのうち、隣り合うセル１０ａは、互いに電気的に直列に接続されている。
図２に示すように、セル１０ａは、電解質膜１０１の両側を一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂで挟んで構成される膜電極接合体１００、膜電極接合体１００の両側に配置された一対のガス拡散層１０３ａ、１０３ｂ、これらを狭持するセパレータ１１０を備える。
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などの高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜で構成されている。また、一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ電極を構成している。具体的には、一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂは、燃料極を構成する燃料側触媒層１０２ａ、および空気極を構成する空気側触媒層１０２ｂで構成されている。
図３に示すように、各触媒層１０２ａ、１０２ｂは、白金粒子等の触媒作用を発揮する物質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（すなわち、電解質ポリマー）１０２ｅで構成されている。
ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスを各触媒層１０２ａ、１０２ｂへ拡散させるものである。ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、カーボンペーパーやカーボンクロス等のガス透過性および電子伝導性を有する多孔質部材で構成されている。
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、燃料側触媒層１０２ａに対向する部位に、燃料ガスが流れる水素流路１１１が形成され、空気側触媒層１０２ｂに対向する部位に、酸化剤ガスである空気が流れる空気流路１１２が形成されている。
各セル１０ａは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると、以下の式１、式２に示す水素と酸素との電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
（燃料極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（式１）
（空気極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ ・・・（式２）
図１に戻り、燃料電池１０は、双方向に電力供給可能なＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａ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５１ａは、電圧センサ５２ａおよび電流センサ５２ｂと共に、燃料電池１０から各種電気負荷、あるいは、各種電気負荷から燃料電池１０への電力の流れを制御する電流制御装置５１を構成している。なお、本実施形態の電流制御装置５１は、診断装置５の一構成要素として機能する。
燃料電池１０には、診断装置５が接続されている。この診断装置５は、燃料電池１０の状態を診断する装置である。本実施形態の診断装置５は、燃料電池１０の内部の乾燥度合を診断するように構成されている。なお、診断装置５の詳細については後述する。
燃料電池１０には、各セル１０ａの空気流路１１２に酸化剤ガスである空気を供給する空気入口部１１ａ、各セル１０ａの空気流路１１２から生成水や不純物を空気と共に排出する空気出口部１１ｂが設けられている。そして、空気入口部１１ａには、空気供給配管２０が接続されている。また、空気出口部１１ｂには、空気排出配管２１が接続されている。
空気供給配管２０には、その最上流部に大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２２が設けられている。空気ポンプ２２は、空気を圧送する圧縮機構と圧縮機構を駆動する電動モータからなる電動ポンプである。
そして、空気供給配管２０における空気ポンプ２２と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁２３が設けられている。空気調圧弁２３は、空気供給配管２０のうち空気が流通する空気流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。
また、空気排出配管２１には、燃料電池１０内部に存する生成水や不純物等を空気とともに外部へ排出するための電磁弁２４が設けられている。電磁弁２４は、空気排出配管２１のうち空気が排出される空気排出路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。本実施形態の燃料電池システム１は、電磁弁２４の絞り開度を調整することで、燃料電池１０の空気極側の背圧を調整可能となっている。本実施形態では、空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、および電磁弁２４が、燃料電池１０における酸化剤ガスのガス量を調整する酸化剤ガス量調整部を構成している。
また、燃料電池１０には、各セル１０ａの水素流路１１１に燃料ガスを供給する水素入口部１２ａ、各セル１０ａの水素流路１１１から未反応水素等を排出させる水素出口部１２ｂが設けられている。そして、水素入口部１２ａには、水素供給配管３０が接続されている。また、水素出口部１２ｂには、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が設けられている。そして、水素供給配管３０における高圧水素タンク３２と燃料電池１０との間には、燃料電池１０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。水素調圧弁３３は、水素供給配管３０のうち水素供給流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。
また、水素排出配管３１には、微量な未反応水素等を外部へ排出するための電磁弁３４が設けられている。電磁弁３４は、水素排出配管３１のうち水素排出流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。本実施形態の燃料電池システム１は、電磁弁３４の絞り開度を調整することで、燃料電池１０の燃料極側の背圧を調整可能となっている。
ここで、本実施形態の燃料電池１０には、燃料電池１０の温度を調整する冷却系として、不凍液等で構成される冷却水が循環する冷却水循環回路４が接続されている。冷却水循環回路４には、冷却水を循環させる水ポンプ４１、燃料電池１０通過後の冷却水を外気と熱交換させて放熱する放熱器４２が設けられている。放熱器４２は、電動ファン４３によって送風される外気により冷却水を冷却する。
また、冷却水循環回路４には、放熱器４２をバイパスして水ポンプ４１の入口と燃料電池１０の水出口とを接続するバイパス流路４４が設けられている。さらに、バイパス流路４４および放熱器４２の水出口のうちいずれか一方を水ポンプ４１の入口に接続する三方弁４５が設けられている。
さらに、冷却水循環回路４には、燃料電池１０の冷却水出口部に温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６は、燃料電池１０を通過した後の冷却水の温度を検出する。
ここで、燃料電池１０を通過した後の冷却水の温度は、燃料電池１０の温度と殆ど同様の温度となる。このため、本実施形態では、温度センサ４６の検出値を燃料電池１０の温度と見なしている。すなわち、本実施形態では、温度センサ４６が燃料電池１０の温度を検出する電池温度検出部を構成している。
本実施形態の空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、各電磁弁２４、３４、空気ポンプ２２、水ポンプ４１等は、診断装置５の診断制御部５０の出力側に接続されており、診断制御部５０からの制御信号により制御される構成となっている。
次に、診断装置５について図４を参照して説明する。図４では、燃料電池１０の内部構造を示すために、燃料電池１０を構成するセル１０ａの一部を透視図で示している。図４に示すように、診断装置５は、主たる構成要素として、診断制御部５０、前述の電流制御装置５１、増幅回路５３、およびセルモニタ５４を備えている。
診断制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる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。本実施形態の診断制御部５０は、交流成分ΔＩ付加部５１０、ΔＩｎ算出部５４０、Ｚｎ算出部５２０、および診断部５３０を有している。
交流成分ΔＩ付加部５１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを介して、燃料電池１０の出力電流に対して、予め定めた基準周波数（例えば、２００Ｈｚ）よりも低い低周波数の低周波信号（交流成分ΔＩ）を重畳させる低周波重畳部である。
交流成分ΔＩ付加部５１０は、図５に示す波形を有する低周波信号を燃料電池１０の出力電流に重畳する。燃料電池１０に対して重畳させる信号の周波数としては、１〜２００Ｈｚの低周波数の範囲内に設定されている。なお、交流成分ΔＩ付加部５１０において重畳する低周波信号は、燃料電池１０の発電状態への影響を考慮して、燃料電池１０の出力電流（発電電流）の１０％以内とすることが望ましい。
ΔＩｎ算出部５４０は、電流センサ５２ｂの検出電流Ｉに基づいて、燃料電池１０に流れる総電流Ｉのうち低周波数の交流成分ΔＩｎを算出する。具体的には、ΔＩｎ算出部５４０は、高速フーリエ変換等の手法によって交流成分ΔＩｎを算出する。なお、電流センサ５２ｂは、燃料電池１０に流れる総電流Ｉを検出する電流検出部を構成する。総電流Ｉは、図５に示す燃料電池１０の出力電流と、図５に示す低周波信号とを含む電流である。
Ｚｎ算出部５２０は、交流成分ΔＩ付加部５１０によって燃料電池１０の出力電流に低周波信号が重畳された状態で、セルモニタ５４の検出値、および電流センサ５２ｂの検出値に基づいて、セルのインピーダンスＺｎを算出するインピーダンス算出部を構成する。
具体的には、Ｚｎ算出部５２０は、増幅回路５３で増幅された出力電圧に基づいて、セル１０ａから出力されるセル電圧のうち、低周波信号である交流成分ΔＶをセル１０ａ毎に算出する。本実施形態のＺｎ算出部５２０は、高速フーリエ変換等の手法により交流成分ΔＶを算出する。
本実施形態のＺｎ算出部５２０は、交流成分ΔＶをΔＩｎ算出部５４０で算出された交流成分ΔＩｎで除算して、低周波信号に対するセル１０ａの低周波インピーダンスＺｎ（＝ΔＶ／ΔＩｎ）をセル１０ａ毎に算出可能となっている。なお、低周波インピーダンスＺｎは、インピーダンスの絶対値である。
診断部５３０は、Ｚｎ算出部５２０で算出された低周波インピーダンスＺｎに基づいて、燃料電池１０の内部の乾燥度合を診断する。換言すれば、診断部５３０は、Ｚｎ算出部５２０で算出された低周波インピーダンスＺｎに基づいて、燃料電池１０の内部の含水量の適否を診断する。
続いて、増幅回路５３は、セルモニタ５４に接続され、セルモニタ５４から出力される電圧を増幅して、Ｚｎ算出部５２０に出力する回路である。セルモニタ５４は、セル１０ａから出力されるセル電圧をセル１０ａ毎に検出するセル電圧検出部である。このため、増幅回路５３では、各セル１０ａから出力されるセル電圧をそれぞれ増幅することになる。
ここで、本実施形態の診断装置５は、セルモニタ５４以外にも、電流制御装置５１の電圧センサ５２ａを有している。この電圧センサ５２ａは、燃料電池１０全体、すなわち、複数のセル１０ａの積層体から出力される総電圧を検出する総電圧検出部を構成している。
ここで、図６は、燃料電池１０に対して酸化剤ガスである空気が充分に供給されている際の空気極側における化学反応を説明するための説明図である。また、図７は、燃料電池１０への酸化剤ガスである空気の供給量が不足している際のセル１０ａの内部における化学反応を説明するための説明図である。なお、図６、図７では、下方側にセル１０ａの内部構成を図示し、上方側に下方側に示すセル１０ａの内部構成の等価回路を図示している。
燃料電池１０に対して酸化剤ガスである空気が充分に供給されている場合、図６に示すように、空気極側では、前述の式２で示す化学反応が生ずる。この際、空気極側は、電解質膜１０１におけるプロトン移動抵抗Ｒｏｈｍに対して、電気二重層Ｃと酸素の拡散抵抗Ｚ（酸素還元反応抵抗）との並列接続体が直列に接続された等価回路として表現することができる。
燃料電池１０に空気が充分に供給されている場合に燃料電池１０に対して１ｋＨｚ付近の高周波信号を重畳させると、セル１０ａの内部では、図６の等価回路に示す一点鎖線矢印の如く、プロトン移動抵抗Ｒｏｈｍから電気二重層Ｃに流れる電流経路が形成される。
プロトン移動抵抗Ｒｏｈｍは、燃料電池１０の内部の含水量が少なくなるに伴って、その抵抗値が増大する傾向がある。このため、燃料電池１０に対して空気が充分に供給されている際には、燃料電池１０に対して高周波信号を重畳させた際のインピーダンスに基づいて、プロトン移動抵抗Ｒｏｈｍの変化、すなわち、燃料電池１０の内部の乾燥度合を把握することが可能となる。
一方、燃料電池１０に空気が充分に供給されている場合に燃料電池１０に対して低周波信号を重畳させると、セル１０ａの内部では、図６の等価回路に示す二点鎖線矢印の如く、プロトン移動抵抗Ｒｏｈｍから酸素の拡散抵抗Ｚに流れる電流経路が形成される。
酸素の拡散抵抗Ｚは、燃料電池１０の内部の含水量以外の要因（例えば、酸素の供給量）によって変化する傾向がある。このため、燃料電池１０に対して空気が充分に供給されている際には、燃料電池１０に対して低周波信号を重畳させた際のインピーダンスに基づいて、燃料電池１０の内部の乾燥度合を把握することは困難となる。
このような理由から、従来のシステムでは、燃料電池１０の乾燥度合を、燃料電池１０に対して１ｋＨｚ付近の高周波信号を重畳させた際のセル１０ａのインピーダンスに基づいて把握する構成となっていた。
しかしながら、燃料電池１０に対して１ｋＨｚ付近の高周波信号を重畳させた際のセル１０ａのインピーダンスを測定するためには、動作周波数の高い制御機器が必要となる。例えば、２００Ｈｚを超える高周波数領域におけるインピーダンスを測定するためには、Ａ／Ｄ変換のサンプリング周期が１ｍｓｅｃ以下で分解能が１６ｂｉｔ以上の機器が必要となってしまう。このことは、燃料電池システムのコストを著しく増大させる要因となることから好ましくない。
これに対して、燃料電池１０に対して２００Ｈｚ以下の低周波信号を重畳させた際のセル１０ａのインピーダンスについては、動作周波数の高い制御機器がなくとも測定することができる。例えば、２０Ｈｚの低周波数領域におけるインピーダンスを測定するためには、Ａ／Ｄ変換のサンプリング周期が１０ｍｓｅｃ以上で、分解能が１６ｂｉｔ以下の機器にて測定することができる。
本発明者らは、動作周波数の低い制御機器によって燃料電池１０の内部の乾燥度合を把握すべく、燃料電池１０に対して低周波信号を重畳させた際の燃料電池１０のインピーダンスの特性について調査研究を重ねた。
この結果、燃料電池１０に対する酸化剤ガスである空気の供給量が不足した状態における低周波インピーダンスが、燃料電池１０に対して高周波信号を重畳させた際のインピーダンス（以下、高周波インピーダンスとも呼ぶ。）と同様に変化することが判った。
燃料電池１０に対する酸化剤ガスである空気の供給量が不足した場合、図７に示すように、セル１０ａの内部では、ポンピング水素反応が生ずる。ポンピング水素反応は、以下の式３、式４に示すように、燃料極側でイオン化したプロトン（Ｈ＋）が、空気極側に移動した後に、水素（Ｈ２）に戻る反応である。
（燃料極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（式３）
（空気極側）２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２ ・・・（式４）
このポンピング水素反応は、酸素の還元反応を伴わない反応であり、等価回路における酸素の拡散抵抗Ｚが無視できるレベルまで低下する。このため、燃料電池１０に対する空気の供給量が不足した状態における低周波インピーダンスには、酸素の拡散抵抗Ｚが殆ど含まれず、プロトン移動抵抗Ｒｏｈｍとの相関性が高くなる。すなわち、燃料電池１０に対する空気の供給量が不足した状態における低周波インピーダンスは、高周波インピーダンスと同様に変化する。
ここで、図８は、燃料電池１０に対する空気の供給量を低下させた際のセル電圧および低周波インピーダンスの測定結果を示すグラフである。なお、図８の上段側に示すグラフでは、燃料電池１０に対する空気の供給量と水素の供給量との比である空気ストイキ比（すなわち、空燃比）の時間変化を示している。また、図８の下段側に示すグラフでは、低周波インピーダンスを実線で示し、高周波インピーダンスを破線で示している。
図８に示すように、空気ストイキ比を低下させると、空気ストイキ比を低下させてから所定時間が経過した後に、セル電圧がゼロに近い値まで低下する。この際、低周波インピーダンスは、酸素の拡散抵抗Ｚが小さくなることで、図８の下段側のグラフに示すように、高周波インピーダンスと同様の値となるまで低下する。
これらの知見を踏まえて、本実施形態の診断制御部５０は、燃料電池１０における空気のガス量が所定の基準ガス量以下に調整された際に、低周波インピーダンスＺｎに基づいて、燃料電池１０を構成する各セル１０ａの乾燥度合を診断する構成となっている。
ここで、本実施形態の診断制御部５０は、２００Ｈｚ以下の低周波インピーダンスＺｎを測定可能な動作周波数の低い制御機器で構成されている。なお、本実施形態では、診断制御部５０において、燃料電池１０における空気のガス量が所定の基準ガス量以下となるように、空気ポンプ２２等を含む酸化剤ガス量調整部を制御する制御部がガス量制御部５０ａを構成している。
また、本実施形態の診断制御部５０は、診断部５３０にて燃料電池１０の内部における含水量が不足したと診断された場合に、燃料電池１０の含水量を回復させる含水量回復処理を実行する構成となっている。本実施形態では、診断制御部５０において、含水量回復処理を実行する制御部が回復処理実行部５０ｂを構成している。
次に、本実施形態の燃料電池システム１の診断制御部５０が実行する診断処理について、図９のフローチャートを参照して説明する。なお、図９に示す制御ルーチンは、燃料電池１０の運転時等において、周期的または不定期に実行される。
診断制御部５０は、図９に示すように、まず、ステップＳ１０において、車両システム等の外部システムから燃料電池１０へ要求される要求電力が基準電力以下であるか否かを判定する。基準電力は、市街地を走行している際に燃料電池１０へ要求される通常要求電力よりも小さい値に設定される。基準電力は、例えば、車両のシフトレバーがＰレンジに設定されている際の要求電力、信号待ち等のアイドリング時の要求電力、自動車専用道路を一定速度で走行している際の要求電力に設定されている。
ステップＳ１０の判定処理の結果、燃料電池１０への要求電力が基準電力を上回っていると判定された場合、電力供給対象である車載機器の動作が不安定となってしまうことが懸念されることから、診断制御部５０は、診断処理を終了する。
一方、ステップＳ１０の判定処理の結果、燃料電池１０への要求電力が基準電力以下と判定された場合、診断制御部５０は、ステップＳ１２において、燃料ガスである水素の供給量を維持した状態で燃料電池１０に対する空気の供給量を低減させる。なお、空気の供給量の低減は、例えば、空気ポンプ２２の回転数を低下させることで実現することができる。
続いて、診断制御部５０は、ステップＳ１４において、燃料電池１０に対する空気の供給量が不足した酸素不足状態となっているか否かを判定する。本実施形態の診断制御部５０は、セル電圧に基づいて、酸素不足状態となっているか否かを判定する。
ここで、燃料電池１０が酸素不足状態となると、燃料電池１０の発電が阻害されることで、セル電圧がゼロに近い値まで低下する。このことを考慮して、本実施形態の診断制御部５０は、セル電圧がゼロに近い値に設定された基準電圧以下となった際に酸素不足状態と判定する。
ステップＳ１４の判定処理の結果、燃料電池１０が酸素不足状態でないと判定された場合、診断制御部５０は、ステップＳ１２に戻り、燃料電池１０に対する空気の供給量の低減を継続する。
一方、ステップＳ１４の判定処理の結果、燃料電池１０が酸素不足状態であると判定された場合、診断制御部５０は、ステップＳ１６において、低周波インピーダンスＺｎを測定する。具体的には、診断制御部５０は、交流成分ΔＩ付加部５１０にて燃料電池１０の出力電流に低周波信号を重畳させた状態で、セルモニタ５４にて検出されたセル電圧、電流センサ５２ｂの検出値に基づいて、セル１０ａの低周波インピーダンスＺｎを算出する。
続いて、診断制御部５０は、ステップＳ１８において、低周波インピーダンスＺｎが予め定めた乾燥判定閾値Ｚｔｈよりも大きいか否かを判定する。乾燥判定閾値Ｚｔｈは、例えば、電解質膜１０１の乾燥時における電気的抵抗値を基準に設定されている。
ステップＳ１８の判定処理の結果、低周波インピーダンスＺｎが乾燥判定閾値Ｚｔｈ以下と判定された場合、燃料電池１０の内部の含水量が充分に確保されていると考えられるので、診断制御部５０は、診断処理を終了する。
一方、ステップＳ１８の判定処理の結果、低周波インピーダンスＺｎが乾燥判定閾値Ｚｔｈよりも大きいと判定された場合、診断制御部５０は、ステップＳ２０において、燃料電池１０の内部の含水量が不足した含水量不足状態と診断する。そして、診断制御部５０は、ステップＳ２２において、燃料電池１０の内部の含水量を回復させる含水量回復処理を実行する。
本実施形態の含水量回復処理の詳細については、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図１０に示すフローチャートは、図９のステップＳ２２に示す含水量回復処理の流れを示している。
図１０に示すように、診断制御部５０は、まず、ステップＳ１００において、燃料電池１０の温度を低下させる。診断制御部５０は、例えば、水ポンプ４１の回転数を増加させ、燃料電池１０の内部を循環する冷却水の循環量を増加させることで、燃料電池１０の温度を低下させる。燃料電池１０の温度が低下すると、燃料電池１０の内部に存在する空気の飽和蒸気圧が低下し、空気中の水分が凝縮し易くなることで、燃料電池１０の内部の含水量が増加する。すなわち、燃料電池１０の温度を低下させると、燃料電池１０の内部の含水量が回復することになる。
続いて、診断制御部５０は、ステップＳ１１０において、図９に示すステップＳ１６と同様に低周波インピーダンスＺｎを測定する。そして、診断制御部５０は、ステップＳ１２０において、図９に示すステップＳ１８と同様に低周波インピーダンスＺｎが乾燥判定閾値Ｚｔｈよりも大きいか否かを判定する。
ステップＳ１２０の判定処理の結果、低周波インピーダンスＺｎが乾燥判定閾値Ｚｔｈ以下と判定された場合、燃料電池１０の内部の含水量が回復していると考えられるので、診断制御部５０は、含水量回復処理を終了する。
一方、ステップＳ１２０の判定処理の結果、低周波インピーダンスＺｎが乾燥判定閾値Ｚｔｈよりも大きいと判定された場合、診断制御部５０は、ステップＳ１３０において、燃料電池１０における空気極側の背圧を増大させる。診断制御部５０は、例えば、電磁弁２４の絞り開度を小さくすることで、燃料電池１０における空気極側の背圧を増大させる。燃料電池１０における空気極側の背圧側が増大すると、燃料電池１０の内部に存在する空気の蒸気圧が上昇し、空気中の水分が凝縮し易くなることで、燃料電池１０の内部の含水量が増加する。すなわち、燃料電池１０における空気極側の背圧側を増大させると、燃料電池１０の内部の含水量が回復することになる。
続いて、診断制御部５０は、ステップＳ１４０において、図９に示すステップＳ１６と同様に低周波インピーダンスＺｎを測定する。そして、診断制御部５０は、ステップＳ１５０において、図９に示すステップＳ１８と同様に低周波インピーダンスＺｎが乾燥判定閾値Ｚｔｈよりも大きいか否かを判定する。
ステップＳ１５０の判定処理の結果、低周波インピーダンスＺｎが乾燥判定閾値Ｚｔｈ以下と判定された場合、燃料電池１０の内部の含水量が回復していると考えられるので、診断制御部５０は、含水量回復処理を終了する。
一方、ステップＳ１５０の判定処理の結果、低周波インピーダンスＺｎが乾燥判定閾値Ｚｔｈよりも大きいと判定された場合、診断制御部５０は、ステップＳ１６０において、燃料電池１０に対する空気の供給量を減少させる。診断制御部５０は、例えば、空気ポンプ２２の回転数を下げることで、燃料電池１０に対する空気の供給量を減少させる。燃料電池１０に対する空気の供給量が減少すると、燃料電池１０の内部の水が空気流れ下流側に偏ってしまうことが抑制される。この結果、燃料電池１０の一部に滞留した水が、全体に広がり易くなることで、燃料電池１０の内部の乾燥が抑制される。
続いて、診断制御部５０は、ステップＳ１７０において、図９に示すステップＳ１６と同様に低周波インピーダンスＺｎを測定する。そして、診断制御部５０は、ステップＳ１８０において、図９に示すステップＳ１８と同様に低周波インピーダンスＺｎが乾燥判定閾値Ｚｔｈよりも大きいか否かを判定する。
ステップＳ１８０の判定処理の結果、低周波インピーダンスＺｎが乾燥判定閾値Ｚｔｈ以下と判定された場合、燃料電池１０の内部の含水量が回復していると考えられるので、診断制御部５０は、含水量回復処理を終了する。
一方、ステップＳ１８０の判定処理の結果、低周波インピーダンスＺｎが乾燥判定閾値Ｚｔｈよりも大きいと判定された場合、診断制御部５０は、ステップＳ１００に戻り、含水量回復処理を継続する。なお、含水量回復処理を継続しても、燃料電池１０の内部の含水量が回復しない場合は、含水量回復処理を終了すると共に、燃料電池１０の運転を停止させることが望ましい。
以上説明した本実施形態の燃料電池システム１は、酸化剤ガスである空気が不足した状態において燃料電池１０の低周波インピーダンスを測定し、当該低周波インピーダンスに基づいて、固体高分子型の燃料電池１０の内部の乾燥度合を把握する構成となっている。
これによれば、動作周波数の高い制御機器がなくとも、動作周波数の低い制御機器によって固体高分子型の燃料電池１０の内部の乾燥度合を把握することができる。このことは、燃料電池システム１のコスト抑制に大きく寄与する。
また、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０への要求電力が小さい場合に、空気の供給量を減少させつつ、燃料電池１０の低周波インピーダンスを測定する構成となっている。これによれば、燃料電池１０の乾燥度合を把握するための処理を実行する際に、燃料電池１０の出力不足に伴う電力供給対象の作動が不安定となる等の不具合を抑制することができる。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０の含水量が不足した含水量不足状態となった際に含水量回復処理を実行する構成となっている。これによれば、燃料電池１０の含水量不足に伴う燃料電池１０の劣化等の不具合を回避することができる。
ここで、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池１０の内部の含水量を回復させる処理として、燃料電池１０の温度低下、燃料電池１０における空気極側の背圧増大、および燃料電池１０への空気の供給量減少を実施している。
燃料電池１０の温度低下は、燃料電池１０における空気極側の背圧増大や、燃料電池１０への空気の供給量減少と異なり、水素および空気といった反応ガスの供給量が変化しないので、電力供給対象の作動が不安定になり難い。
また、燃料電池１０における空気極側の背圧増大は、燃料電池１０への空気の供給量減少と異なり、水素および空気といった反応ガスの供給量が減少しないので、燃料電池１０への空気の供給量減少に比べて、電力供給対象の作動が不安定になり難い。
これらを考慮して、本実施形態の燃料電池システム１は、含水量回復処理において、燃料電池１０の温度低下、燃料電池１０における空気極側の背圧増大、燃料電池１０への空気の供給量減少の順に実施する構成となっている。これによれば、含水量回復処理を実行することによって、電力供給対象の作動が不安定となる等の不具合を抑制することができる。
（他の実施形態）
以上、本発明の代表的な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ことなく、例えば、以下のように種々変形可能である。
上述の実施形態では、本発明の燃料電池システム１を燃料電池自動車に適用した例について説明したが、これに限定されない。本発明の燃料電池システム１は、燃料電池自動車に限らず、例えば、家屋や工場等に供される定置型の発電装置にも適用することができる。
上述の実施形態では、Ｚｎ算出部５２０において、燃料電池１０を流れる総電流Ｉを検出する電流センサ５２ｂの検出値、およびセルモニタ５４の検出値に基づいて、インピーダンスＺｎを算出する例について説明したが、これに限定されない。
燃料電池システム１は、セル１０ａの面内の局所電流を検出可能な局所電流センサの検出値、およびセルモニタ５４の検出値に基づいて、インピーダンスＺｎを算出する構成となっていてもよい。
ここで、セル１０ａの面内では、空気流路１１２の空気流れ上流側の部位、すなわち、空気流路１１２の入口側の部位が最も乾燥し易い傾向がある。このことを考慮すると、局所電流センサは、少なくとも空気流路１１２の空気流れ上流側の部位を流れる局所電流を検出する構成とすることが望ましい。
上述の実施形態では、診断処理において、燃料電池１０へ要求される要求電力が基準電力以下となった際に、燃料電池１０に対する空気の供給量を低減させる例について説明したが、これに限定されない。
診断処理は、例えば、車両のシフトレバーがＰレンジに設定されている場合、信号待ち等のアイドリング状態となっている場合、自動車専用道路を一定速度で走行している場合等に、燃料電池１０に対する空気の供給量を低減させるようになっていてもよい。
なお、診断処理では、燃料電池１０へ要求される要求電力が低下する際に、燃料電池１０に対する空気の供給量を低減させることが望ましいが、これに限定されない。診断処理は、燃料電池１０へ要求される要求電力に関わらず、所定のタイミングで、燃料電池１０に対する空気の供給量を低減させるようになっていてもよい。
上述の実施形態では、診断処理において、燃料電池１０に対する空気の供給量を低減させた後に、低周波インピーダンスＺｎを測定する例について説明したが、これに限定されない。診断処理は、車両システム等の外部システムからの要求によって、燃料電池１０に対する空気の供給量が低下したタイミングで、低周波インピーダンスＺｎを測定するようになっていてもよい。
上述の実施形態では、含水量回復処理において、燃料電池１０の温度低下、燃料電池１０における空気極側の背圧増大、燃料電池１０への空気の供給量減少といった異なる処理を実行する例について説明したが、これに限定されない。
燃料電池システム１は、燃料電池１０の温度低下、燃料電池１０における空気極側の背圧増大、燃料電池１０への空気の供給量減少のうち、一部の処理だけを実行する構成となっていてもよい。
ここで、燃料電池１０では、空気極側から燃料極側に水分が透過し、当該水分が燃料極側で滞留することがあり、燃料電池１０における燃料極側の背圧を増大させると、燃料極側に滞留している水分が電解質膜１０１に流れ易くなる。このため、燃料電池システム１は、燃料電池１０における燃料極側の背圧を増大させる処理を含水量回復処理として実行するように構成されていてもよい。
また、上述の実施形態の如く、燃料電池１０の内部の含水量が不足した含水量不足状態と診断されると、含水量回復処理を実行することが望ましいが、これに限定されない。燃料電池システム１は、燃料電池１０の内部の含水量が不足した含水量不足状態と診断された際に、含水量回復処理ではなく、例えば、含水量不足状態をユーザ等に報知する処理を実行する構成となっていてもよい。
上述の実施形態において、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。
上述の実施形態において、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。
上述の実施形態において、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。
（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池の内部の酸化剤ガスのガス量が基準ガス量以下に調整された際に、燃料電池の低周波インピーダンスに基づいて、燃料電池の内部における乾燥度合を診断する。
また、第２の観点によれば、燃料電池システムは、酸化剤ガス量調整部を制御するガス量制御部を備える。そして、ガス量制御部は、燃料電池へ要求される要求電力が所定の基準電力以下となる際に、酸化剤ガスのガス量が基準ガス量以下に調整されるように酸化剤ガス量調整部を制御する構成となっている。このように、燃料電池へ要求される要求電力が小さい場合に、燃料電池を酸化剤ガスが不足した状態にすることで、燃料電池の出力不足に伴って電力供給対象の作動が不安定となる等の不具合を抑制することができる。
また、第３の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池の内部の含水量を回復させる含水量回復処理を実行する回復処理実行部を備える。そして、回復処理実行部は、診断部にて燃料電池の含水量が不足した含水量不足状態と診断された場合に、含水量回復処理を実行する構成となっている。このように、燃料電池の含水量が不足した含水量不足状態となった際に含水量回復処理を実行する構成とすれば、燃料電池の含水量不足に伴う燃料電池の劣化等の不具合を回避することができる。
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２２ 空気ポンプ（酸化剤ガス量調整部）
２３ 空気調圧弁（酸化剤ガス量調整部）
２４ 電磁弁（酸化剤ガス量調整部）
５１０ 交流成分ΔＩ付加部（低周波重畳部）
５２０ Ｚｎ算出部（インピーダンス算出部）
５３０ 診断部

Claims (3)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを出力する固体高分子型の燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池に対して所定の基準周波数以下の低周波数の低周波信号を重畳させる低周波重畳部（５１０）と、
    前記低周波重畳部にて前記低周波信号が重畳され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部（５２０）と、
    前記インピーダンス算出部で算出された前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池の内部における乾燥度合を診断する診断部（５３０）と、
    前記燃料電池における前記酸化剤ガスのガス量を調整する酸化剤ガス量調整部（２２、２３、２４）と、を備え、
    前記診断部は、前記酸化剤ガス量調整部によって前記酸化剤ガスのガス量が所定の基準ガス量以下に調整された際に、前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池の内部における乾燥度合を診断する燃料電池システム。
  2. 前記酸化剤ガス量調整部を制御するガス量制御部（５０ａ）を備え、
    前記ガス量制御部は、前記燃料電池へ要求される要求電力が所定の基準電力以下となる際に、前記酸化剤ガスのガス量が前記基準ガス量以下に調整されるように前記酸化剤ガス量調整部を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池の内部の含水量を回復させる含水量回復処理を実行する回復処理実行部（５０ｂ）を備え、
    前記回復処理実行部は、前記診断部にて前記燃料電池の含水量が不足した含水量不足状態と診断された場合に、前記含水量回復処理を実行する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
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