JP7096076B2

JP7096076B2 - 燃料電池監視装置

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Publication number: JP7096076B2
Application number: JP2018111753A
Authority: JP
Inventors: 育康加藤; 美保畑▲崎▼; 茂樹長谷川; 和男山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2038-06-12
Also published as: JP2019215994A

Description

本発明は、燃料電池監視装置に関する。

特許文献１には、燃料電池からの出力電流に交流信号を印加して燃料電池のインピーダンスを算出することによって、燃料電池の含水量を推定する技術が開示されている。

特開２０１４－２０３５６２号公報

しかしながら、燃料電池の運転条件によっては、従来技術によって推定された燃料電池の含水量と実際の含水量との間にズレが生じてしまうという問題があった。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて直流電流を出力する燃料電池スタックを監視する燃料電池監視装置が提供される。この燃料電池監視装置は、異なる複数の周波数の交流成分を含む交流信号を前記燃料電池スタックの前記直流電流に重畳する信号重畳部と、前記燃料電池スタックの前記直流電流に前記交流信号が重畳されることによって発生する応答電流の電圧値又は電流値を用いて、前記燃料電池スタックの含水量を推定する含水量推定部と、前記燃料電池スタックの前記直流電流の電流値と、前記反応ガスの供給流量とを用いて、前記反応ガスの前記直流電流を出力するために必要とされる理論流量に対する前記供給流量の比率であるストイキ比を算出するストイキ比算出部と、前記ストイキ比算出部によって算出されたストイキ比が予め定められた基準ストイキ比よりも小さな場合に、前記含水量推定部によって推定された含水量の推定値を前記推定値よりも小さくなるように補正する補正部と、を備える。
この形態の燃料電池監視装置によれば、燃料ガス又は酸化ガスのストイキ比が基準ストイキ比よりも小さな場合に、燃料電池スタックの含水量の推定値が当該推定値よりも小さな値に補正されるので、含水量推定の精度を向上させることができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池含水量の推定方法、燃料電池システム等の形態で実現することができる。

第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す概略図。含水量推定値の補正処理を示すフローチャートの一例。信号重畳の際の直流電流と交流電流の時間変化を例示する図。第１拡散抵抗の算出を説明するための機能ブロック図。コールコールプロット図。コールコールプロット図。単セル内の含水量と第１拡散抵抗との対応関係を示す特性図。酸化ガスストイキ比が異なる際の含水量推定値と含水量実測値を示す図。酸化ガスのストイキ比が変化した際の含水量のズレ量の変化を示す図。補正後の含水量推定値と含水量実測値を示す図。第２実施形態における含水量の制御処理を示すフローチャートの一例。燃料電池スタックの電流－電圧特性線を示す図。

・第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム９００の構成を示す概略図である。燃料電池システム９００は、例えば、動力源として車両に搭載される。燃料電池システム９００は、燃料電池スタック２０と、酸化ガス供給系３０と、燃料ガス供給系５０と、制御装置９０と、図示しない冷却系等とを備える。

燃料電池スタック２０は、例えば固体高分子形燃料電池スタックである。燃料電池スタック２０は、反応ガスである燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する。燃料ガスとしては、例えば水素を採用可能であり、酸化ガスとしては、例えば空気を採用可能である。燃料電池スタック２０は、直流電流を出力する。燃料電池スタック２０は、複数の単セル２１が積層されることによって構成されている。各単セル２１は、電極及び電解質膜によって構成された膜電極接合体の両面にガス拡散層が配置された膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体の両面に配置された２枚のセパレータとを有する。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成されている。電極は、例えばカーボンによって構成されている。電極には、発電反応を促進するための白金触媒が設けられている。各セパレータには、反応ガスと冷却媒体がそれぞれ流れる反応ガス流路と冷却媒体流路とが設けられている。反応ガスは、燃料電池スタック２０の反応ガス用マニホールド（図示せず）を介して、各単セル２１の反応ガス流路に流れて、発電に利用される。

酸化ガス供給系３０は、酸化ガスを燃料電池スタック２０に供給する。酸化ガス供給系３０は、ガス供給流路３１と、ガス排出流路３４とを有する。ガス供給流路３１の一端は、燃料電池スタック２０と接続しており、他端は、大気に開放されている空気の入口である。ガス供給流路３１には、エアフロメータ３２と、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）３３とが設けられている。ＡＣＰ３３は、制御装置９０からの制御信号に応じて、空気を取り込んで圧縮して燃料電池スタック２０に供給する。エアフロメータ３２は、ＡＣＰ３３に取り込まれる空気の流量を測定する。この空気流量は、燃料電池スタック２０に供給される空気流量とほぼ同一である。なお、空気流量は、ＡＣＰ３３の回転数を調整することによって調整可能である。ガス排出流路３４は、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスを燃料電池スタック２０の外部に導く。ガス排出流路３４には、背圧弁３５が設けられている。背圧弁３５は、制御装置９０からの制御信号に応じて燃料電池スタック２０に供給される酸化ガスの圧力を調節する。

燃料ガス供給系５０は、燃料ガスタンク５１と、ガス供給流路５２と、ガス還流流路５６と、排出流路５８と、を備える。燃料ガスタンク５１は、高圧の燃料ガスを貯蔵する。ガス供給流路５２は、燃料ガスタンク５１と燃料電池スタック２０とを接続し、燃料ガスタンク５１内の燃料ガスを燃料電池スタック２０に導く。ガス供給流路５２には、開閉弁５３と、インジェクタ５４と、燃料ガス流量センサ５５とが設けられている。インジェクタ５４は、制御装置９０からの制御信号に応じて、燃料ガスを燃料電池スタック２０に向かって噴射する。燃料ガス流量センサ５５は、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスの流量を測定する。ガス還流流路５６は、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスをガス供給流路５２に導く。ガス還流流路５６には、燃料ガスポンプ５７が設けられている。燃料ガスポンプ５７は、制御装置９０からの制御信号に応じて、燃料オフガスを圧縮して燃料電池スタック２０に供給する。排出流路５８は、ガス還流流路５６に接続されている。排出流路５８には、図示しない気液分離器と開閉弁５９とが設けられている。気液分離器は、燃料オフガスからそれに含まれる液体を分離する。分離された液体は、開閉弁５９を介して外部に排出される。

燃料電池スタック２０には、交流電流を利用する負荷７０が電気的に接続されている。燃料電池スタック２０から出力された直流電流は、制御装置９０からの制御信号に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）によって昇圧され、ＤＣ／ＡＣインバータ（図示せず）によって交流電流に変換され、負荷７０に供給される。電流センサ７１は、燃料電池スタック２０から出力される電流の値を計測する。電圧センサ７２は、燃料電池スタック２０の両端の電圧の値を計測する。

制御装置９０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御装置９０は、発電要求に応じて、燃料電池システム９００の各構成部を制御する。制御装置９０は、燃料電池監視装置９１を有する。燃料電池監視装置９１は、燃料電池スタック２０の含水量を監視する装置である。燃料電池監視装置９１は、信号重畳部９２と、含水量推定部９３と、ストイキ比算出部９４と、補正部９５とを備える。信号重畳部９２は、異なる複数の周波数の交流成分を含む交流信号を燃料電池スタック２０から出力される直流電流に重畳する。交流成分として、交流電流又は交流電圧を採用できる。含水量推定部９３は、燃料電池スタック２０の出力直流電流に信号重畳部９２による交流信号が重畳されることによって発生する応答電流の電圧値又は電流値を用いて、燃料電池スタック２０の含水量を推定する。この詳細は後述する。ストイキ比算出部９４は、燃料電池スタック２０から出力される直流電流の電流値と、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガス又は酸化ガスの供給流量とを用いて、燃料ガス又は酸化ガスのストイキ比を算出する。「ストイキ比」とは、燃料電池スタック２０の発電反応において要求される直流電流を出力するために必要とされる反応ガスの理論流量に対する反応ガスの供給流量の比率である。要求出力を確保するために、反応ガスの供給流量は理論流量以上に設定されることが好ましい。すなわち、反応ガスのストイキ比が１．０以上に設定されることが好ましい。燃料電池スタック２０から出力される直流電流の電流値を用いて、反応ガスの理論流量を算出することができる。補正部９５は、ストイキ比算出部９４によって算出されたストイキ比に応じて、含水量推定部９３によって推定された含水量の推定値を補正する。この詳細は後述する。

図２は、燃料電池監視装置９１で行われる燃料電池スタック２０の含水量推定値の補正処理を示すフローチャートの一例である。ステップＳ１１０において、信号重畳部９２は、燃料電池スタック２０が定常状態で発電している状態で、燃料電池スタック２０の出力電流に対して、周波数の異なる２つの交流電流を重畳する。ここで、図３を用いてステップＳ１１０を説明する。

図３は、燃料電池スタック２０の発電による直流電流（直流成分）と、信号重畳部９２からの交流電流（交流成分）の時間変化を例示する図である。図３に示すように、交流成分は、２つの周波数成分を有する。２つの周波数のうち、低い方の周波数を低周波数ｆ_L、高い方の周波数を高周波数ｆ_Hと呼ぶ。低周波数ｆ_Lは、例えば１～１５０Ｈｚである。高周波数ｆ_Hは、例えば２００Ｈｚ以上である。このように、低周波数ｆ_L及び高周波数ｆ_Hは、両者の比較において高低と呼ばれているだけであり、一般的な意味での「低周波」や「高周波」とは関係の無い呼び方である。

図２に戻り、ステップＳ１２０において、燃料電池監視装置９１は、燃料電池スタック２０から発生する応答電流の電圧値を取得する。燃料電池スタック２０の出力電流に交流電流を重畳させると、交流の応答電流が発生する。この応答電流の電圧値は、電圧センサ７２から取得できる。燃料電池監視装置９１は、電圧センサ７２から取得した電圧値を単セル２１の数で割って単セル２１の電圧値を取得する。ステップＳ１３０において、含水量推定部９３は、燃料電池スタック２０の含水量を推定する。図２の例では、ステップＳ１３０において、燃料電池スタック２０の単セル２１の含水量が推定される。ステップＳ１３０において、含水量推定部９３は、まず、ステップＳ１１０の信号重畳部９２による交流電流の電流値と、ステップＳ１２０で取得される単セル２１の電圧値とを用いて、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）法によって、異なる周波数毎の単セル２１のインピーダンスの絶対値及び位相角を算出する。ここで、図４、図５、図６及び図７を用いて、単セル２１のインピーダンスを利用して単セル２１の含水量を推定する方法の一例を説明する。

図４は、第１拡散抵抗Ｒ_wetの算出を説明するための機能ブロック図である。第１拡散抵抗Ｒ_wetとは、燃料電池スタック２０内部のフラッディングに依拠して変化する拡散特性を示すパラメータ（単位：ｓ／ｍ）である。第１拡散抵抗Ｒ_wetは、後述する含水量の算出に用いられる。

第１拡散抵抗Ｒ_wetの算出のための機能は、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、及び第１拡散抵抗算出部５３３ｅから構成される。含水量推定部９３は、これらの機能を、プログラムの実行によって実現する。

抵抗算出部５３３ａは、プロトン移動抵抗Ｒ_mem及びガス反応抵抗Ｒ_ctを単セル２１毎に算出する。プロトン移動抵抗Ｒ_memは、抵抗過電圧を抵抗換算した成分である。抵抗過電圧は、電解質膜の乾燥に伴って増大する。ガス反応抵抗Ｒ_ctは、活性化過電圧及び濃度過電圧を抵抗換算した成分である。

抵抗算出部５３３ａは、高周波数ｆ_Hのインピーダンスに基づきプロトン移動抵抗Ｒ_memを算出する。抵抗算出部５３３ａは、低周波数ｆ_Lのインピーダンス及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、プロトン移動抵抗Ｒ_mem及びガス反応抵抗Ｒ_ctの算出方法について図５及び図６を用いて説明する。図５及び図６は、コールコールプロット図である。コールコールプロット図は、周波数とインピーダンスとの関係を複素平面上に示した特性図である。

図６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。

プロトン移動抵抗Ｒ_memの算出は、高周波数ｆ_Hにおけるインピーダンスの絶対値Ｒ₁及び位相θ₁を、以下の数式Ｆ１に適用することで実現される。
Ｒ_mem＝Ｒ₁ｃｏｓθ₁…（Ｆ１）

低周波数ｆ_L、高周波数ｆ_Hそれぞれにおけるインピーダンスの絶対値Ｒ₁、Ｒ₂、及び位相θ₂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［（Ｒ₂ｓｉｎθ₂）／｛（Ｒ₂ｃｏｓθ₂）－Ｒ_mem｝］…（Ｆ２）
Ａ＝（Ｒ₂ｓｉｎθ₂）／ｓｉｎφ…（Ｆ３）

前述の数式Ｆ２、Ｆ３によって得られたφ、及び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４に戻り、限界電流密度算出部５３３ｂは、限界電流密度Ｉ_limを算出する。具体的には、限界電流密度Ｉ_limを以下の数式Ｆ５～Ｆ９によって算出する。
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）

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、「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、「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、「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、ガス拡散抵抗Ｒ_totalを算出する。ガス拡散抵抗Ｒ_totalは、反応ガスの触媒層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は、第１拡散抵抗Ｒ_wet及び第２拡散抵抗Ｒ_dryの和に相当する（Ｒ_total＝Ｒ_wet＋Ｒ_dry）。第２拡散抵抗Ｒ_dryは、ドライアップに依拠して変化する拡散特性を示す。

ガス拡散抵抗算出部５３３ｃは、予め記憶されている関数に基づいて、ガス拡散抵抗Ｒ_totalを算出する。この関数は、ガス拡散抵抗Ｒ_total、並びに限界電流密度Ｉ_lim及びガス反応抵抗Ｒ_ctの相関性をモデル化することによって定められる。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及びガス反応抵抗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）

数式Ｆ１０中のρ及びξは、セル１１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って予め計測しておいたガス拡散抵抗の実測値と推定値とをフィッティングして設定する定数である。ガス拡散抵抗の推定値は、ガス反応抵抗Ｒ_ct、及び限界電流密度Ｉ_limから算出される。

数式Ｆ１０は、上記相関性をモデル化した数式の一例である。数式Ｆ１０は、ガス反応抵抗Ｒ_ct、及び限界電流密度Ｉ_limそれぞれをガス拡散抵抗Ｒ_total及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される。

第２拡散抵抗算出部５３３ｄは、第２拡散抵抗Ｒ_dryを算出する。第２拡散抵抗Ｒ_dryは、プロトン移動抵抗Ｒ_memと同様に、燃料電池スタック２０内部の湿度ＲＨの低下に応じて増大する特性を有する。プロトン移動抵抗Ｒ_memは、以下の数式Ｆ１１に示すように、湿度ＲＨに相関性を有する。第２拡散抵抗Ｒ_dryは、以下の数式Ｆ１２に示すように、拡散係数Ｄ_dryに反比例する。拡散係数Ｄ_dryは、湿度ＲＨに相関性を有する。

ＲＨ∝Ｂ（Ｒ_mem）^C…（Ｆ１１）
Ｒ_dry∝Ｄ（σ／Ｄ_dry）…（Ｆ１２）

数式Ｆ１１中の「Ｂ」及び「Ｃ」は定数を示している。また、数式Ｆ１２中の「Ｄ」は定数、「σ」は単セル２１に含まれるガス拡散層の厚みを示している。

第２拡散抵抗算出部５３３ｄは、予め記憶されたプロトン移動抵抗Ｒ_memと湿度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から燃料電池スタック２０内の湿度ＲＨを算出する。

第２拡散抵抗算出部５３３ｄは、予め記憶された湿度ＲＨと拡散係数Ｄ_dryとの相関関係を規定した制御マップ、及び数式Ｆ１２を用いて、先に算出した湿度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。次に、第１拡散抵抗Ｒ_wetを利用した含水量の推定について説明する。

図７は、単セル２１の第１拡散抵抗Ｒ_wetが変化した際の単セル２１内部における含水量の実測値の変化を示す図である。ここでいう含水量は、発電によって１つの単セル２１内に生成された生成水の質量のことである。図７に示す特性線Ｑ１は、数式Ｆ１３によって近似的に表すことができる。
Ｗ＝１０^-8Ｒ_wet ⁴－１０^-7Ｒ_wet ³－１０^-5Ｒ_wet ²＋７Ｒ_wet ^-4…（Ｆ１３）
数式Ｆ１３中の「Ｗ」は、含水量推定値を示している。従って、単セル２１の含水量は、第１拡散抵抗Ｒ_wetを用いて推定することができる。図７の例では、特性線Ｑ１は、発電のために燃料電池スタック２０に供給される酸化ガスが予め定められた基準ストイキ比を満足した際の曲線である。基準ストイキ比は、含水量推定値を補正する（後述）ために設定される値であり、例えば１．０～３．０の範囲内の値を採用可能である。

図２に戻り、ステップＳ１４０において、信号重畳部９２は、燃料電池スタック２０への交流電流の重畳を解除する。ステップＳ１５０において、燃料電池監視装置９１は、電流センサ７１から、燃料電池スタック２０から出力される直流電流の電流値を取得する。なお、ステップＳ１４０，Ｓ１５０は、省略されてもよい。この場合は、燃料電池スタック２０から出力される直流電流の電流値を取得する代わりに、燃料電池スタック２０への交流電流の重畳による応答電流の値に対して、フーリエ変換を用いて発電による直流成分の値を求めてもよい。

ステップＳ１６０において、燃料電池監視装置９１は、酸化ガス供給系３０のエアフロメータ３２から、酸化ガスの供給流量を取得する。ステップＳ１７０において、ストイキ比算出部９４は、ステップＳ１５０で取得された燃料電池スタック２０の出力電流値とステップＳ１６０で取得された酸化ガスの供給流量とを用いて、酸化ガスのストイキ比を算出する。ステップＳ１８０において、補正部９５は、ステップＳ１７０で算出された酸化ガスのストイキ比が上述した基準ストイキ比よりも小さいか否かを判定する。ステップＳ１８０において、補正部９５は、酸化ガスのストイキ比が基準ストイキ比よりも小さいと判定した場合（ステップＳ１８０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１９０に移行し、ステップＳ１３０で推定された単セル２１の含水量の推定値を補正する。ここで、図８、図９及び図１０を用いて、含水量推定値の補正の詳細を説明する。

図８は、酸化ガスのストイキ比がｓ１～ｓ５のそれぞれとなった場合の含水量推定値Ｗと含水量実測値を示す図である。含水量推定値Ｗは、図２に示すステップＳ１３０によって推定された単セル２１の含水量の推定値である。含水量実測値は、質量測定器具で実際に測定した単セル２１の含水量の実測値である。各ストイキ比は、ｓ１＜ｓ２＜ｓ３＜ｓ４＜ｓ５を満足する。基準ストイキ比の値はｓ５である。直線Ｇ０上に位置する点は、含水量推定値Ｗと含水量実測値とが一致する点である。反応ガスのストイキ比は、フラッディングに依存した拡散抵抗、すなわち第１拡散抵抗Ｒ_wetに影響を与えるので、酸化ガスのストイキ比が変化すると、第１拡散抵抗Ｒ_wetに基づく含水量推定値Ｗが変化する。図７の説明によれば、第１拡散抵抗Ｒ_wetと含水量推定値Ｗとの関係は基準ストイキ比の条件下で求められているので、図８では、ストイキ比が基準ストイキ比ｓ５である点は、ほぼ直線Ｇ０上に位置する。図８に示す各点において、直線Ｇ０から右側にずれるほど、含水量推定値Ｗが含水量実測値より大きくなる。図８によれば、酸化ガスのストイキ比が小さくなるほど、含水量推定値Ｗが含水量実測値より大きくなる傾向が見られる。なお、図８に示したほとんどの点は、直線Ｇ０と平行する破線で囲まれた領域Ｒｅ内に分布している。

図９は、酸化ガスのストイキ比ｘが変化した際の含水量のズレ量ｙの変化を示す図であり、図８に示す各値によって求められた図である。「含水量のズレ量ｙ」は、図８において各点が直線Ｇ０から横にずれた量ｙである。図９に示す特性線Ｑ２は、数式Ｆ１４によって表すことができる。
ｙ＝ａｘ＋ｂ…（Ｆ１４）
数式Ｆ１４中の「ａ」及び「ｂ」は定数を示している。図９によれば、酸化ガスのストイキ比ｘが基準ストイキ比ｓ５となると、含水量のズレ量ｙは０である。酸化ガスのストイキ比ｘが基準ストイキ比ｓ５より小さくなると、含水量のズレ量ｙは大きくなる。

図８と図９の説明から分かるように、酸化ガスのストイキ比が基準ストイキ比ｓ５より小さくなるほど、含水量推定値Ｗが含水量実測値より大きくなる。従って、酸化ガスのストイキ比が基準ストイキ比ｓ５よりも小さな場合に、含水量推定値Ｗを推定値Ｗよりも小さくなるように補正すれば、含水量推定の精度を向上させることができる。含水量推定値Ｗの補正は、例えば数式Ｆ１５によって行うことができる。
Ｗ１＝Ｗ（１－ｙ）…（Ｆ１５）
数式Ｆ１５中の「Ｗ１」は、補正後の含水量推定値を示している。

図１０は、酸化ガスのストイキ比がｓ１～ｓ５のそれぞれとなった場合の補正後の含水量推定値Ｗ１と含水量実測値を示す図であり、図８に対応する図である。図１０に示す各点は、直線Ｇ０と平行する破線で囲まれた領域Ｒｅ１内に分布している。領域Ｒｅ１は、図８に示す領域Ｒｅよりも小さいので、補正後の含水量推定値Ｗ１は、補正前より含水量実測値に近いと言える。従って、含水量推定値ＷをＷ１に補正すれば、含水量推定の精度を向上させることができる。

図２に戻り、補正部９５は、ステップＳ１９０を実行した後、含水量推定値の補正処理を終了する。ステップＳ１８０に戻り、補正部９５は、酸化ガスのストイキ比が基準ストイキ比以上であると判定した場合（ステップＳ１８０、Ｎｏ）には、ステップＳ１９５に移行し、含水量推定値を補正せずに処理を終了する。

以上説明したように、第１実施形態では、酸化ガスのストイキ比が基準ストイキ比ｓ５より小さくなるほど、単セル２１の含水量推定値Ｗが含水量実測値より大きくなる。ここで、燃料電池監視装置９１の補正部９５は、酸化ガスのストイキ比が基準ストイキ比ｓ５よりも小さな場合に、含水量推定値Ｗを推定値Ｗよりも小さな値Ｗ１に補正するので、含水量推定の精度を向上させることができる。

なお、第１実施形態では、酸化ガスのストイキ比を用いて基準ストイキ比を設定し、含水量推定値の補正を行っているが、発電条件に応じて燃料電池スタック２０内の生成水がアノード側とカソード側の間で移動する場合があるので、酸化ガスのストイキ比の代わりに、燃料ガスのストイキ比を用いて基準ストイキ比を設定し、燃料ガスのストイキ比と基準ストイキ比とを比較して含水量推定値の補正を行ってもよい。

・第２実施形態：
図１１は、本発明の第２実施形態における燃料電池スタック２０の含水量の制御処理を示すフローチャートの一例であり、図２に対応する図である。図１１は、図２に示す第１実施形態に比べて、燃料電池スタック２０の含水量を適正値に制御するステップが加わっている。「適正値」とは、燃料電池スタック２０の内部状況に応じて所期の運転状態に適した含水量の値である。

図１１では、ステップＳ２１０において、制御装置９０は、ステップＳ１３０で推定された含水量推定値が適正値より小さいか否かを判定する。制御装置９０は、含水量推定値が適正値より小さい場合（ステップＳ２１０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ２２０に移行する。ステップＳ２２０において、制御装置９０は、例えば酸化ガス供給系３０のＡＣＰ３３の回転数を減らすことによって、酸化ガスのストイキ比を減少させる。この結果、燃料電池スタック２０の含水量が増加する。ステップＳ２１０に戻り、制御装置９０は、含水量推定値が適正値以上の場合（ステップＳ２１０、Ｎｏ）には、ステップＳ２１５に移行する。ステップＳ２１５において、制御装置９０は、ステップＳ１３０で推定された含水量推定値が適正値より大きいか否かを判定する。制御装置９０は、含水量推定値が適正値より大きい場合（ステップＳ２１５、Ｙｅｓ）には、ステップＳ２２５に移行する。ステップＳ２２５において、制御装置９０は、例えば酸化ガス供給系３０のＡＣＰ３３の回転数を増やすことによって、酸化ガスのストイキ比を増加させる。この結果、燃料電池スタック２０の含水量が減少する。ステップＳ２１５に戻り、制御装置９０は、含水量推定値が適正値と一致する場合（ステップＳ２１５、Ｎｏ）には、処理を終了する。

ステップＳ２２０又はステップＳ２２５の処理によって酸化ガスのストイキ比が変化するので、制御装置９０は、ステップＳ２３０において、ステップＳ１３０と同様な手順で燃料電池スタック２０の含水量を推定する。この後、制御装置９０は、含水量の推定値を補正する場合（ステップＳ１９０）には、ステップＳ２４０において、補正後の含水量推定値が適正値よりも小さいか否かを判定する。ステップＳ２４０において、制御装置９０は、補正後の含水量推定値が適正値よりも小さいと判定した場合（ステップＳ２４０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ２２０に移行する。一方、ステップＳ２４０において、制御装置９０は、補正後の含水量推定値が適正値以上の場合（ステップＳ２４０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ２４５に移行する。ステップＳ２４５において、制御装置９０は、補正後の含水量推定値が適正値よりも大きいか否かを判定する。ステップＳ２４５において、制御装置９０は、補正後の含水量推定値が適正値よりも大きいと判定した場合（ステップＳ２４５、Ｙｅｓ）には、ステップＳ２２５に移行する。一方、ステップＳ２４５において、制御装置９０は、補正後の含水量推定値が適正値と一致する場合（ステップＳ２４５、Ｙｅｓ）には、処理を終了する。なお、制御装置９０は、含水量の推定値を補正しない場合（ステップＳ１９５）には、ステップＳ２１０に移行する。

図１２は、燃料電池スタック２０の電流－電圧特性線を示す図である。特性線Ｑ３は、図１１に示す含水量の制御処理が行われる場合の特性線である。特性線Ｑ４は、図１１に示す含水量の制御処理が行われない場合の特性線であり、比較例である。図１２から分かるように、図１１に示す含水量の制御処理を行えば、低負荷の場合は出力電力を０．４０％向上させることができ、高負荷の場合は出力電力を２．９６％向上させることができる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

２０…燃料電池スタック、２１…単セル、３０…酸化ガス供給系、３１…ガス供給流路、３２…エアフロメータ、３３…エアコンプレッサ（ＡＣＰ）、３４…ガス排出流路、３５…背圧弁、５０…燃料ガス供給系、５１…燃料ガスタンク、５２…ガス供給流路、５３…開閉弁、５４…インジェクタ、５５…燃料ガス流量センサ、５６…ガス還流流路、５７…燃料ガスポンプ、５８…排出流路、５９…開閉弁、７０…負荷、７１…電流センサ、７２…電圧センサ、９０…制御装置、９１…燃料電池監視装置、９２…信号重畳部、９３…含水量推定部、９４…ストイキ比算出部、９５…補正部、５３３ａ…抵抗算出部、５３３ｂ…限界電流密度算出部、５３３ｃ…ガス拡散抵抗算出部、５３３ｄ…第２拡散抵抗算出部、５３３ｅ…第１拡散抵抗算出部、９００…燃料電池システム

Claims

反応ガスの供給を受けて直流電流を出力する燃料電池スタックを監視する燃料電池監視装置であって、
異なる複数の周波数の交流成分を含む交流信号を前記燃料電池スタックの前記直流電流に重畳する信号重畳部と、
前記燃料電池スタックの前記直流電流に前記交流信号が重畳されることによって発生する応答電流の電圧値又は電流値を用いて、前記燃料電池スタックの含水量を推定する含水量推定部と、
前記燃料電池スタックの前記直流電流の電流値と、前記反応ガスの供給流量とを用いて、前記反応ガスの前記直流電流を出力するために必要とされる理論流量に対する前記供給流量の比率であるストイキ比を算出するストイキ比算出部と、
前記ストイキ比算出部によって算出されたストイキ比が予め定められた基準ストイキ比よりも小さな場合に、前記含水量推定部によって推定された含水量の推定値を前記推定値よりも小さくなるように補正する補正部と、
を備える燃料電池監視装置。
請求項１に記載の燃料電池監視装置であって、
前記補正部は、前記ストイキ比算出部によって算出されたストイキ比が前記基準ストイキ比よりも小さな場合に、前記ストイキ比算出部によって算出されたストイキ比が小さくなるほど前記推定値が小さくなるように前記推定値を補正する、
燃料電池監視装置。