JP7132088B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、電解質膜と電解質膜を挟む２つの電極触媒層とで構成された膜電極接合体を有し、膜電極接合体の面状の発電領域において発電が行われる。本明細書では、このような発電領域を「セル面」と呼ぶ。セル面内の発電分布に過度な偏りがある状態では発電を効率的に行うことができない。そこで、従来から、セル面内の発電分布を計測する技術が工夫されている。

特許文献１には、燃料電池のセル面内の電流密度分布を計測する計測装置を備えた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、セル面内の電流密度分布を計測するための専用の電流密度センサを設けておき、その電流密度センサを用いて電流密度分布を計測する。

特開２００６－３１８７８４号公報

しかしながら、従来技術では、セル面内の発電分布を知るために専用の電流密度センサを設ける必要があったので、燃料電池の構造が複雑になり、高コスト化の原因となっていた。そこで、電流密度センサを設けることなくセル面内の発電分布を推定できる技術が望まれている。

なお、燃料電池を効率よく発電させるためには、燃料電池の湿潤度を適切に制御することが好ましい。従来は、燃料電池の水分量を推定し、推定された水分量に応じて湿潤度の制御を行っていたため、その処理や制御が複雑であった。そこで、従来に比べて簡単な処理で燃料電池の湿潤度を適切に制御できる技術が望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、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、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、前記燃料電池の両端の電極に交流信号を供給する交流信号供給部と、前記電圧検出部で検出された検出交流電圧と前記電流検出部で検出された検出交流電流から、前記検出交流電圧に対する前記検出交流電流の位相差を演算する位相差演算部と、前記燃料電池のセル面内における発電分布を表す発電分布特徴量と前記位相差との間の予め定められた関係を用いて、前記位相差に応じて前記発電分布特徴量を推定する推定部と、を備える。前記発電分布特徴量は、前記セル面内における局所電流密度の最大値と最小値の差分を示す値を含む。
本願の発明者は、燃料電池のセル面内の発電分布を表す発電分布特徴量と、検出交流電圧に対する検出交流電流の位相差との間には相関があり、特に、セル面内のおける局所電流密度の最大値と最小値の差分と位相差との間に所定の関係があることを見出した。上記燃料電池システムによれば、この関係を用いて位相差に応じて発電分布特徴量を推定するので、電流密度センサを設けることなく燃料電池のセル面内の発電分布を推定することができる。
（２）上記燃料電池システムにおいて、前記セル面は、前記セル面内を流れるカソードガスの入口から出口までの面内カソードガス流路を有し、前記面内カソードガス流路を前記入口に近い上流部分と前記出口に近い下流部分とに区分したとき、前記発電分布特徴量は、前記局所電流密度の最大値が前記上流部分に存在するとともに前記局所電流密度の最小値が前記下流部分に存在する第１発電分布と、前記局所電流密度の最大値が前記下流部分に存在するとともに前記局所電流密度の最小値が前記上流部分に存在する第２発電分布と、のいずれに該当するかを示すものとしてもよい。
この燃料電池システムによれば、位相差に応じて推定される発電分布特徴量が、第１発電分布と第２発電分布のいずれに該当するかを示すので、電流密度センサを設けることなく燃料電池のセル面内の発電分布を推定することができる。
（３）上記燃料電池システムにおいて、前記発電分布特徴量は、前記第１発電分布と前記第２発電分布のいずれに該当するかを、前記発電分布特徴量の正負の符号によって区別するものとしてもよい。
この燃料電池システムによれば、発電分布特徴量の正負の符号によって第１発電分布と第２発電分布のいずれに該当するかを区別するので、発電分布特徴量から発電分布を容易に推定することができる。
（４）上記燃料電池システムは、更に、前記位相差により推定される前記発電分布特徴量が予め定められた許容範囲から外れている場合に、前記発電分布特徴量を前記許容範囲内に収めるように前記燃料電池システムの運転条件を変更する運転条件制御部を備えるものとしてもよい。
この燃料電池システムによれば、セル面内における局所電流密度の最大値と最小値の差分を示す発電分布特徴量が許容範囲外となった場合に、許容範囲内に収めるさせるように燃料電池システムを適切な運転条件で制御することができる。
（５）上記燃料電池システムにおいて、前記推定部は、前記位相差に応じて、前記燃料電池の湿潤度が予め定められた湿潤度範囲よりも低い第１状態と、前記燃料電池の湿潤度が前記湿潤度範囲内にある第２状態と、前記燃料電池の湿潤度が前記湿潤度範囲よりも高い第３状態と、のいずれの状態にあるかを推定するものとしてもよい。
この燃料電池システムによれば、位相差に応じて燃料電池の湿潤度に関する３つの状態のいずれかであるかを推定するので、これに応じて適切な制御を実行することができる。
（６）上記燃料電池システムは、更に、前記燃料電池が前記第１状態又は前記第３状態にあるものと推定された場合に、前記燃料電池が上記第２状態になるように前記燃料電池システムの運転条件を変更する運転条件制御部を備えるものとしてもよい。
この燃料電池システムによれば、燃料電池が湿潤度の低い第１状態や湿潤度の高い第３状態にある場合に、燃料電池が第２状態になるように燃料電池システムを適切に制御することができる。
（７）本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック全体の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記燃料電池スタック全体の出力電流を検出する電流検出部と、前記燃料電池スタックの両端の電極に交流信号を供給する交流信号供給部と、前記電圧検出部で検出された検出交流電圧と前記電流検出部で検出された検出交流電流から、前記検出交流電圧に対する前記検出交流電流の位相差を演算する位相差演算部と、前記位相差に応じて前記燃料電池システムの運転条件を変更して前記燃料電池スタックの湿潤状態を制御する運転条件制御部を備える。前記運転条件制御部は、前記位相差が第１の値よりも大きな第２の値である場合に、前記燃料電池システムの運転条件を、前記位相差が前記第１の値である場合よりも前記燃料電池スタックの湿潤度を低下させる運転条件とする。
上記燃料電池システムによれば、位相差に応じて燃料電池スタックの湿潤状態を制御するので、従来に比べて簡単な処理で燃料電池スタックの湿潤度を適切に制御することが可能である。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他に、燃料電池システムの制御装置や制御方法等の形態で実現することができる。

一実施形態の燃料電池システムの構成を示す説明図。 セル面内の発電分布の推定に関連する装置構成を示す説明図。 検出交流電流と検出交流電圧の関係を示すタイミングチャート。 セル面内の第１発電分布の例を示すグラフ。 セル面内の第２発電分布の例を示すグラフ。 電流と電圧の間の位相差と発電分布特徴量との関係を示すグラフ。 位相差の計測と運転モードの切り換えの手順を示すフローチャート。

図１は、一実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、例えば、車両１１０に搭載される。燃料電池システム１００は、運転者からの要求に応じて車両１１０の動力源となる電力を出力する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御装置２０と、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」と呼ぶ）８１と、負荷８２と、二次電池８３と、を備える。制御装置２０は、ＣＰＵと、メモリと、インターフェースと、を備える１以上のＥＣＵとして構成されている。制御装置２０は、メモリに記憶されたコンピュータプログラムを実行することにより、燃料電池システム１００の制御を実行する。但し、制御装置２０の機能の一部又は全部をハードウェア回路で実現しても良い。

燃料電池スタック１０は、単セル１１が積層されたスタック構造を有する。図示は省略するが、各単セル１１は、電解質膜と、電解質膜の両面に配置されたアノード電極触媒層及びカソード電極触媒層と、を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを備える。電解質膜は、例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜である。単セル１１は、反応ガスとしてのアノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電する。本実施形態では、アノードガスとして水素ガスを使用し、カソードガスとして空気を使用する。但し、他の種類のアノードガスやカソードガスを使用しても良い。

カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、大気圧センサ３７と、エアフローメータ３２と、コンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、分流弁３６と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。

大気圧センサ３７は、カソードガス配管３１に設けられており、カソードガス配管３１の入口圧力を測定する。エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。コンプレッサ３３は、カソードガス配管３１を介して燃料電池スタック１０と接続されている。コンプレッサ３３は、制御装置２０の制御により、外部から取り入れたカソードガスを圧縮し、燃料電池スタック１０に供給する。

第１開閉弁３４は、コンプレッサ３３と燃料電池スタック１０との間に設けられ、制御装置２０の制御により開閉する。分流弁３６は、コンプレッサ３３とカソードオフガス配管４１との間に設けられており、制御装置２０の制御により、燃料電池スタック１０とカソードオフガス配管４１への空気の流量を分配する。

カソードオフガス配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを、燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、燃料電池スタック１０のカソードガス出口の圧力を調整する背圧調整弁である。

アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、圧力センサ５６と、アノードオフガス配管６１と、気液分離装置６２と、排出弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、を備える。

アノードガス配管５１は、燃料電池スタック１０にアノードガスを供給するための供給流路である。アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口マニホールドと接続されており、アノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側から設けられている。第２開閉弁５３は、制御装置２０の制御により開閉する。第２レギュレータ５４は、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。圧力センサ５６は、アノードガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側に設けられている。圧力センサ５６は、インジェクタ５５下流の圧力値を測定する。

インジェクタ５５は、制御装置２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁であり、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガス供給量を調整する。本実施形態では、インジェクタ５５は、アノードガス配管５１に複数設けられている。制御装置２０は、圧力センサ５６の測定値が目標圧力値を下回らないように、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御し、燃料電池スタック１０へのアノードガス供給量を制御する。目標圧力値は、燃料電池スタック１０への要求電力に応じて定められる。

アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードオフガス出口とカソードオフガス配管４１とを接続する。アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０からアノードオフガスを排出するための排出流路である。アノードオフガスは、発電反応に用いられなかったアノードガスや窒素ガスなどを含む。

気液分離装置６２は、アノードオフガス配管６１に設けられている。気液分離装置６２は、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスから、不純物としての水を分離して貯える。

排出弁６３は、アノードオフガス配管６１に設けられた開閉弁である。排出弁６３は、気液分離装置６２の鉛直下方に設けられている。排出弁６３は、制御装置２０の制御により開閉する。排出弁６３が開かれると、排出弁６３からは、気液分離装置６２内の水に続いて、アノードオフガスが排出される。排出弁６３から排出された水及びアノードオフガスは、アノードオフガス配管６１に接続されたカソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。

循環配管６４は、アノードガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側の配管部分と気液分離装置６２との間を接続する。循環配管６４には、アノードガスポンプ６５が設けられている。アノードガスポンプ６５は、制御装置２０の制御により駆動され、気液分離装置６２によって水が分離されたアノードオフガスを、アノードガス配管５１へと送り出す。この燃料電池システム１００では、アノードガスを含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池スタック１０から出力された電圧を昇圧して、ＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１は、インバータを内蔵しており、インバータを介して車輪を駆動するためのトラクションモータ等の負荷８２に電力を供給する。また、ＰＣＵ８１は、制御装置２０の指令に基づいて、燃料電池スタック１０の出力電流を制御する。

二次電池８３は、ＰＣＵ８１とＤＣ／ＤＣコンバータ８０とを介して燃料電池スタック１０に接続されており、燃料電池スタック１０により発電された電力を蓄電する。また、二次電池８３は、燃料電池スタック１０とともに、燃料電池システム１００における電力の供給源として機能する。二次電池８３の電力は、負荷８２や、コンプレッサ３３、アノードガスポンプ６５、各種弁に供給される。二次電池８３としては、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等を用いることができる。

制御装置２０は、要求電力に応じて燃料電池システム１００の各部を制御し、燃料電池スタック１０や二次電池８３の出力を制御する。要求電力には、燃料電池システム１００が搭載される車両１１０の運転者などによる外的発電要求と、燃料電池システム１００の補機類に対して電力を供給するための内的発電要求と、が含まれる。

図２は、セル面内の発電分布の推定に関連する装置構成を示す説明図である。ここでは、単セル１１のセル面１１ｓが描かれている。燃料電池スタック１０には、複数の単セル１１を貫通する複数のマニフォールドが形成されている。複数のマニフォールドは、アノードガス供給マニフォールド１２inと、アノードガス排出マニフォールド１２outと、カソードガス供給マニフォールド１４inと、カソードガス排出マニフォールド１４outとを有する。アノードガス供給部５０により供給されるアノードガスＡＧは、アノードガス供給マニフォールド１２inから各単セル１１に分配され、アノードガス排出マニフォールド１２outから排出される。カソードガス供給部３０により供給されるカソードガスＣＧは、カソードガス供給マニフォールド１４inから各単セル１１に分配され、カソードガス排出マニフォールド１４outから排出される。他のマニフォールドは、冷媒の供給と排出のためのマニフォールドである。

各単セル１１には、セル面１１ｓ内を流れる面内アノードガス流路ＡＰと面内カソードガス流路ＣＰとが形成されている。この例では、面内アノードガス流路ＡＰは、水平方向に直進する複数の直進部分と、隣接する直進部分の間に設けられた折曲部とを有し、全体として蛇行しながら上昇する形状を有している。一方、面内カソードガス流路ＣＰは、セル面１１ｓの上端から下端に向けて下降する直線状の形状をする。従って、セル面１１ｓ内におけるアノードガスＡＧとカソードガスＣＧの流れは、互いに直交する直交流として構成されている。但し、面内カソードガス流路ＣＰや面内アノードガス流路ＡＰは、これ以外の形状を有するように構成されていても良く、例えば、対向流となるように構成されていてもよい。図２のような直交流の場合も、また、対向流の場合も、面内カソードガス流路ＣＰの入口が面内アノードガス流路ＡＰの出口付近に存在し、面内カソードガス流路ＣＰの出口が面内アノードガス流路ＡＰの入口付近に存在する。

燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０の出力電圧を検出する電圧検出部３１０と、燃料電池スタック１０の出力電流を検出する電流検出部３２０が接続されている。また、燃料電池スタック１０の両端の電極には、交流信号を供給する交流信号供給部３３０が接続されている。この交流信号は、交流インピーダンス法に従って燃料電池スタック１０のインピーダンス測定を行うための入力信号である。交流信号としては交流電流と交流電圧のいずれも使用可能であるが、本実施形態では交流電流を使用する。

電圧検出部３１０で検出された検出交流電圧Ｖｄと、電流検出部３２０で検出された検出交流電流Ｉｄは、位相差演算部２１０に供給される。この位相差演算部２１０は、検出交流電圧Ｖｄに対する検出交流電流Ｉｄの位相差Δθを演算する機能を有する。この演算は、例えば、高速フーリエ変換処理により実行できる。位相差Δθは、位相差演算部２１０から推定部２２０に供給される。推定部２２０は、位相差Δθに応じて、燃料電池スタック１０のセル面１１ｓ内における発電分布を表す発電分布特徴量を推定する機能を有する。この推定機能については後述する。

図２の例では、電圧検出部３１０が燃料電池スタック１０全体の電圧を測定しているが、この代わりに、燃料電池スタック１０の一部を構成する１つ以上の単セル１１の電圧を測定するようにしてもよい。本明細書において、「燃料電池」という用語は、燃料電池スタック１０全体と、その一部を構成する１つ以上の単セル１１と、の両方を包含する広い意味で使用される。

図２のシステムは、更に、運転条件制御部２３０を有する。この運転条件制御部２３０は、位相差演算部２１０で演算された位相差Δθに応じて、燃料電池システム１００の運転条件を制御する。この制御の具体例については後述する。位相差演算部２１０と推定部２２０と運転条件制御部２３０は、図１に示した制御装置２０に含まれるように構成してもよい。

図３は、検出交流電流Ｉｄと検出交流電圧Ｖｄの関係を示すタイミングチャートである。ここでは、燃料電池スタック１０の出力電流である直流電流成分Ｉconstに対して、交流電流成分ΔＩが交流信号供給部３３０によって重畳され、検出交流電流Ｉｄと検出交流電圧Ｖｄが検出された様子が描かれている。交流電流成分ΔＩは、周波数ｆ及び角周波数ω（＝２πｆ）を有する正弦波である。交流信号供給部３３０によって重畳される交流信号の波形としては、正弦波以外の波形を使用することも可能であり、例えば、三角波や矩形波、パルス波なども使用できる。

良く知られているように、交流インピーダンス法において使用される周波数領域は、インピーダンスの実部がプロトン移動抵抗とガス反応抵抗の和に等しくなる低周波数領域と、インピーダンスの実部がプロトン移動抵抗に等しくなる高周波数領域とに分けられる。本実施形態において、交流信号の周波数ｆは、低周波数領域の値とすることが好ましい。具体的には、周波数ｆを１Ｈｚ以上１５０Ｈｚ以下の値とすることが好ましく、１Ｈｚ以上１００Ｈｚ未満の値とすることが更に好ましく、２０Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下の値とすることが最も好ましい。なお、本実施形態では、通常の交流インピーダンス法と異なり、１つの特定の周波数のみを使用し、その特定の周波数に対して、検出交流電圧Ｖｄに対する検出交流電流Ｉｄの位相差Δθを求めれば十分である。

検出交流電圧Ｖｄに対する検出交流電流Ｉｄの位相差Δθは、位相差演算部２１０によって演算される。よく知られているように、燃料電池の等価回路は抵抗成分と容量成分とで構成されるので、通常は図３のように、検出交流電圧Ｖｄに対して検出交流電流Ｉｄの位相が進む位相関係が得られる。本明細書では、検出交流電圧Ｖｄに対して検出交流電流Ｉｄの位相が進んでいるときの位相差Δθをマイナス値で表現し、逆に、検出交流電圧Ｖｄに対して検出交流電流Ｉｄの位相が遅れているときの位相差Δθをプラス値で表現する。

本願の発明者は、位相差Δθとセル面１１ｓ内における発電分布との間に、以下の図４～図６で説明する相関があることを見出した。

図４は、セル面１１ｓ内の第１発電分布ＰＤ１の例を示すグラフである。図４の横軸は面内カソードガス流路ＣＰの入口から出口までの位置であり、縦軸は局所電流密度である。面内カソードガス流路ＣＰは、その入口に近い上流部分ＩＰと、出口に近い下流部分ＯＰとに区分することができる。

図４では、第１発電分布ＰＤ１として、２つの分布ＰＤ１ａ，ＰＤ１ｂを例示している。一方の第１発電分布ＰＤ１ａは、局所電流密度が、面内カソードガス流路ＣＰの入口において最大値Ｉmaxとなり、出口に向かってほぼ単調に減少して、出口において最小値Ｉminとなる分布である。他方の第１発電分布ＰＤ１ｂは、局所電流密度が、面内カソードガス流路ＣＰの入口からやや下流側の位置において最大値Ｉmaxとなり、そこから出口に向かってほぼ単調に減少して、出口において最小値Ｉminとなる分布である。これらの第１発電分布ＰＤ１ａ，ＰＤ１ｂは、いずれも、局所電流密度の最大値Ｉmaxが上流部分ＩＰに存在するとともにその最小値Ｉminが下流部分ＯＰに存在する分布である点で共通している。本願の発明者の実験によれば、単セル１１が乾燥している場合には、このような第１発電分布ＰＤ１となる可能性が高いことが見出された。この理由は、単セル１１が乾燥すると、電解質膜のプロトン移動度が低下するので、面内アノードガス流路ＡＰの入口（これは図２で説明したように面内カソードガス流路ＣＰの出口付近にある）における局所電流密度が低下するためであると推定される。このとき、局所電流密度の最大値Ｉmaxと最小値Ｉminの差分は、単セル１１の乾燥度が上昇するほど増大する傾向にある。

本実施形態では、第１発電分布ＰＤ１を表す発電分布特徴量として、下流部分ＯＰにおける局所電流密度の極値Ｉopである最小値Ｉminから、上流部分ＩＰにおける局所電流密度の極値Ｉipである最大値Ｉmaxを減算した値Ｉ*を使用する。従って、第１発電分布ＰＤ１に対する発電分布特徴量Ｉ*は、負の値となる。この発電分布特徴量Ｉ*は、セル面１１ｓ内における局所電流密度の最大値Ｉmaxと最小値Ｉminの差分を示している。上述したように、局所電流密度の最大値Ｉmaxと最小値Ｉminの差分は単セル１１の乾燥度が上昇するほど増大する傾向にあるので、発電分布特徴量Ｉ*の絶対値も単セル１１の乾燥度が上昇するほど増大する。

図５は、セル面１１ｓ内の第２発電分布ＰＤ２ａ，ＰＤ２ｂの例を示すグラフである。一方の第２発電分布ＰＤ２ａは、局所電流密度が、面内カソードガス流路ＣＰの入口において最小値Ｉminとなり、出口に向かってほぼ単調に増加して、出口において最大値Ｉmaxとなる分布である。他方の第２発電分布ＰＤ２ｂは、局所電流密度が、面内カソードガス流路ＣＰの入口において最小値Ｉminとなり、出口に向かってほぼ単調に増加して、出口からやや上流側の位置において最大値Ｉmaxとなる分布である。これらの第２発電分布ＰＤ２ａ，ＰＤ２ｂは、いずれも、局所電流密度の最大値Ｉmaxが下流部分ＯＰに存在するとともにその最小値Ｉminが上流部分ＩＰに存在する分布である点で共通している。本願の発明者の実験によれば、単セル１１が過度に湿潤している場合には、このような第２発電分布ＰＤ２となる可能性が高いことが見出された。この理由は、単セル１１が過度に湿潤している場合には面内カソードガス流路ＣＰの入口付近で水詰まりが発生する可能性が高く、面内カソードガス流路ＣＰの入口付近においてカソードガスを十分に供給できずに局所電流密度が低下するためであると推定される。

第２発電分布ＰＤ２を表す発電分布特徴量としては、下流部分ＯＰにおける局所電流密度の極値Ｉopである最大値Ｉmaxから、上流部分ＩＰにおける局所電流密度の極値Ｉipである最小値Ｉminを減算した値Ｉ*を使用する。従って、第２発電分布ＰＤ２に対する発電分布特徴量Ｉ*は、正の値となる。この発電分布特徴量Ｉ*も、セル面１１ｓ内における局所電流密度の最大値Ｉmaxと最小値Ｉminの差分を示している。

上述したように、図４に示す第１発電分布ＰＤ１では発電分布特徴量Ｉ*は負の値となり、図５に示す第２発電分布ＰＤ２では発電分布特徴量Ｉ*は正の値となる。逆に言えば、発電分布特徴量Ｉ*が負の場合にはセル面１１ｓ内の発電分布が第１発電分布ＰＤ１であるものと推定でき、発電分布特徴量Ｉ*が正の場合にはセル面１１ｓ内の発電分布が第２発電分布ＰＤ２であるものと推定できる。

図６は、検出交流電圧Ｖｄに対する検出交流電流Ｉｄの位相差Δθと、発電分布特徴量Ｉ*との関係ＲＬを示すグラフである。図６のプロット点は、本願の発明者により電流密度センサを用いて行った実験結果である。位相差Δθと発電分布特徴量Ｉ*との間には、ほぼ直線的な関係ＲＬがあることが理解できる。発電分布特徴量Ｉ*が負の場合にはセル面１１ｓ内の発電分布が図４で説明した第１発電分布ＰＤ１であるものと推定でき、一方、発電分布特徴量Ｉ*が正の場合には図５で説明した第２発電分布ＰＤ２であるものと推定できる。また、図４で説明したように、第１発電分布ＰＤ１ａに対する発電分布特徴量Ｉ*の絶対値は、単セル１１の乾燥度が上昇するほど増大する。

燃料電池の湿潤状態としては、過度に乾燥している第１状態Ｈ１と、適切に湿潤している第２状態Ｈ２と、過度に湿潤している第３状態Ｈ３と、の３つの状態が存在する。第２状態Ｈ２は、予め定められた湿潤度範囲にある状態である。第１状態Ｈ１は、第２状態Ｈ２の湿潤度範囲よりも湿潤度が低い状態であり、第３状態Ｈ３は、第２状態Ｈ２の湿潤度範囲よりも湿潤度が高い状態である。図６に示す例では、発電分布特徴量Ｉ*が下限値Ｉ_ＬＯＷよりも小さい範囲は、燃料電池が過度に乾燥している第１状態Ｈ１に相当する。また、発電分布特徴量Ｉ*が下限値Ｉ_ＬＯＷから上限値Ｉ_ＨＩＧＨまでの範囲は燃料電池が適切に湿潤している第２状態Ｈ２に相当し、発電分布特徴量Ｉ*が上限値Ｉ_ＨＩＧＨを超える範囲は燃料電池が過度に湿潤している第３状態Ｈ３に相当する。この場合には、発電分布特徴量Ｉ*の適切な範囲は、下限値Ｉ_ＬＯＷから上限値Ｉ_ＨＩＧＨまでの範囲である。

位相差Δθと発電分布特徴量Ｉ*との間には予め定められた関係ＲＬがあるので、位相差Δθの値から燃料電池の湿潤状態Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３のいずれであるかを推定できる。すなわち、位相差Δθが適切な範囲ＲＲ内にある場合には、燃料電池が適切に湿潤している第２状態Ｈ２にあるものと推定できる。また、位相差Δθが適切な範囲ＲＲの下限値Δθ_ＬＯＷより小さい場合には燃料電池が過度に乾燥している第１状態Ｈ１にあるものと推定でき、位相差Δθが適切な範囲ＲＲの上限値Δθ_ＨＩＧＨより大きい場合には燃料電池が過度に湿潤している第３状態Ｈ３にあるものと推定できる。位相差Δθや発電分布特徴量Ｉ*の適切な範囲は、単セル１１の構造などに依存するので、燃料電池スタック１０の型式毎に実験的又は経験的に予め設定される。なお、位相差Δθや発電分布特徴量Ｉ*の適切な範囲を「許容範囲」とも呼ぶ。

図７は、位相差Δθの計測と運転モードの切り換えの手順を示すフローチャートである。この手順は、燃料電池システム１００が起動して通常運転が開始された後に、制御装置２０によって定期的に繰り返し実行される。図７の処理の開始時には、燃料電池システム１００は通常運転モードで運転されている。通常運転モードとは、ステップＳ１６０で実行される燃料電池の湿潤度を下げる第１運転モードや、ステップＳ１７０で実行される燃料電池の湿潤度を上げる第２運転モードではない運転モードである。

ステップＳ１１０では、交流インピーダンス計測を実行して、検出交流電圧Ｖｄに対する検出交流電流Ｉｄの位相差Δθが演算される。具体的には、図２に示した交流信号供給部３３０によって交流信号が燃料電池の両端の電極に印加され、これに応じて電圧検出部３１０で検出された検出交流電圧Ｖｄと、電流検出部３２０で検出された検出交流電流Ｉｄから、位相差演算部２１０が位相差Δθを演算する。この位相差Δθは、推定部２２０に供給される。

ステップＳ１２０では、推定部２２０が、位相差Δθが図６に示した適切な範囲ＲＲ内にあるか否かを判定する。この範囲ＲＲは、下限値Δθ_ＬＯＷから上限値Δθ_ＨＩＧＨまでの範囲である。位相差Δθが適切な範囲ＲＲ内にある場合には、燃料電池が適切に湿潤している第２状態Ｈ２にあるものと推定できるので、ステップＳ１３０において通常運転モードが維持されて、図７の処理を終了する。一方、位相差Δθが適切な範囲ＲＲ内に無い場合には、ステップＳ１４０において、位相差Δθが適切な範囲ＲＲの上限値Δθ_ＨＩＧＨよりも大きいか否かが判断される。

位相差Δθが適切な範囲ＲＲの上限値Δθ_ＨＩＧＨよりも大きい場合には、燃料電池が過度に湿潤している第３状態Ｈ３にあるものと推定できるので、ステップＳ１４０からステップＳ１５０に進む。ステップＳ１５０では、運転条件制御部２３０が、燃料電池の湿潤度を下げる第１運転モードに従って燃料電池システム１００を運転する。第１運転モードでは、以下の動作の１つ以上を利用することが可能である。
（Ｃ－１ａ）コンプレッサ３３の回転数を増加させて燃料電池へのカソードガスの供給流量を増加させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を増加させる。
（Ｃ－１ｂ）第１レギュレータ４２の設定値を変更して燃料電池内のカソードガス圧力を低下させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を増加させる。
（Ｃ－１ｃ）カソードガス供給部３０に加湿器が設けられている場合には、加湿器による加湿量を減少させる。
これらの動作を利用する第１運転モードでは、コンプレッサ３３の回転数と、第１レギュレータ４２の設定値と、加湿器による加湿量のうちの１つ以上が、運転条件制御部２３０によって制御される制御量、すなわち、燃料電池システム１０の運転条件に相当する。

アノードガスについても同様に、以下の動作の１つ以上を利用して燃料電池の湿潤度を下げるようにしてもよい。
（Ａ－１ａ）アノードガスポンプ６５の回転数を増加させて燃料電池へのアノードガスの供給流量を増加させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を増加させる。
（Ａ－１ｂ）インジェクタ５５によるアノードガスの供給量を一時的に減少させて燃料電池内のアノードガス圧力を低下させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を増加させる。
（Ａ－１ｃ）アノードガス供給部５０に加湿器が設けられている場合には、加湿器による加湿量を減少させる。

一方、ステップＳ１４０において、位相差Δθが適切な範囲ＲＲの上限値Δθ_ＨＩＧＨよりも大きい場合には、位相差Δθは適切な範囲ＲＲの下限値Δθ_ＬＯＷよりも小さい。この場合には、燃料電池が過度に乾燥している第１状態Ｈ１にあるものと推定できるので、ステップＳ１４０からステップＳ１６０に進む。ステップＳ１６０では、運転条件制御部２３０が、燃料電池の湿潤度を上げる第２運転モードに従って燃料電池システム１００を運転する。第２運転モードでは、以下の動作の１つ以上を利用することが可能である。
（Ｃ－２ａ）コンプレッサ３３の回転数を減少させて燃料電池へのカソードガスの供給流量を減少させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を減少させる。
（Ｃ－２ｂ）第１レギュレータ４２の設定値を変更して燃料電池のカソードガス圧力を上昇させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を減少させる。
（Ｃ－２ｃ）カソードガス供給部３０に加湿器が設けられている場合には、加湿器による加湿量を増加させる。

アノードガスについても同様に、以下の動作の１つ以上を利用して燃料電池の湿潤度を上げるようにしてもよい。
（Ａ－２ａ）アノードガスポンプ６５の回転数を減少させて燃料電池へのアノードガスの供給流量を減少させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を減少させる。
（Ａ－２ｂ）インジェクタ５５によるアノードガスの供給量を一時的に増加させて燃料電池内のアノードガス圧力を上昇させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を減少させる。
（Ａ－２ｃ）アノードガス供給部５０に加湿器が設けられている場合には、加湿器による加湿量を増加させる。

ステップＳ１５０又はステップＳ１６０の後は、前述したステップＳ１１０以降の処理が再度実行される。ステップＳ１５０又はステップＳ１６０からステップＳ１１０に戻った後に、位相差Δθが適切な範囲ＲＲ内に戻った場合には、ステップＳ１３０に進み、運転条件制御部２３０が通常運転モードに切り換えて図７の処理を終了する。

上述した図７の処理は、燃料電池が適切な湿潤状態にない第１状態Ｈ１又は第３状態Ｈ３にあるものと推定された場合に、燃料電池が適切な湿潤状態にある第２状態Ｈ２になるように燃料電池システム１００の運転条件を変更する処理である。このような処理を実行すれば、位相角Δθに応じて燃料電池が適切に湿潤している第２状態Ｈ２になるように燃料電池システム１００を適切に制御することができる。

また、図７の処理は、位相差Δθにより推定される発電分布特徴量Ｉ*が予め定められた許容範囲から外れている場合に、発電分布特徴量Ｉ*をその許容範囲内に収めるように燃料電池システム１００の運転条件を変更する処理であると考えることも可能である。このような処理を実行すれば、セル面１１ｓ内における局所電流密度の最大値Ｉmaxと最小値Ｉminの差分を示す発電分布特徴量Ｉ*が許容範囲外となった場合に、その許容範囲内に収めるように燃料電池システム１００を適切な運転条件で制御することができる。

なお、図６及び図７では、位相差Δθに応じて燃料電池の湿潤状態を３つの状態Ｈ１～Ｈ３に区分していたが、燃料電池の湿潤状態を２つに区分してもよく、或いは、４つ以上に区分してもよい。これらのいずれの場合にも、運転条件制御部２３０は、位相差Δθに応じて燃料電池システム１００の運転条件を変更して燃料電池の湿潤状態の制御を実行することが可能である。この際、運転条件制御部２３０は、位相差Δθが大きな場合に、位相差Δθが小さな場合よりも燃料電池の湿潤度を低下させる運転条件とする制御を行うことが好ましい。この制御は、位相差Δθが第１の値よりも大きな第２の値である場合に、位相差Δθが第１の値である場合よりも燃料電池の湿潤度を低下させる運転条件とする制御であると考えることも可能である。この制御は、例えば図７のステップＳ１５０の制御に相当する。この制御によれば、位相差Δθに応じて燃料電池の湿潤状態を適切に制御することが可能である。

また、運転条件制御部２３０は、位相差Δθが小さな場合に、位相差Δθが大きな場合よりも燃料電池の湿潤度を上昇させる運転条件とする制御を行うことが好ましい。この制御は、位相差Δθが第１の値よりも小さな第３の値である場合に、位相差Δθが第１の値である場合よりも燃料電池の湿潤度を上昇させる運転条件とする制御であると考えることも可能である。この制御は、例えば図７のステップＳ１６０の制御に相当する。この制御によっても、位相差Δθに応じて燃料電池の湿潤状態を適切に制御することが可能である。

以上のように、本実施形態では、セル面１１ｓ内のおける局所電流密度の最大値Ｉmaxと最小値Ｉminの差分を示す発電分布特徴量Ｉ*と、位相差Δθとの間に所定の関係ＲＬがあることを利用している。本実施形態の燃料電池システム１００によれば、この関係ＲＬを用い、位相差Δθに応じて発電分布特徴量Ｉ*を推定するので、電流密度センサを設けることなく燃料電池のセル面１１ｓ内の発電分布を推定することができる。

なお、上記実施形態では、発電分布特徴量Ｉ*として、下流部分ＯＰにおける局所電流密度の極値Ｉipから、上流部分ＩＰにおける局所電流密度の極値Ｉopを減算した値を使用したが、これ以外の発電分布特徴量Ｉ*を用いることも可能である。但し、発電分布特徴量Ｉ*は、セル面１１ｓ内における局所電流密度の最大値Ｉmaxと最小値Ｉminの差分を示す値を含むものとすることが好ましい。この場合に、発電分布特徴量Ｉ*として、セル面１１ｓ内の発電分布が２種類の発電分布ＰＤ１，ＰＤ２のいずれに該当するかを区別しないものを用いてもよい。

また、上記実施形態では、発電分布特徴量Ｉ*は、２種の発電分布ＰＤ１，ＰＤ２のいずれに該当するかを、発電分布特徴量Ｉ*の正負の符号によって区別するものとしたが、これ以外の方法で２種類の発電分布ＰＤ１，ＰＤ２を区別するものとしてもよい。例えば、正負の符号でなく、最大値Ｉmaxと最小値Ｉminの差分を示す値とは別の独立した１ビットを用いて第１発電分布ＰＤ１と第２発電分布ＰＤ２を区別するものとしてもよい。但し、発電分布特徴量Ｉ*の正負の符号によって発電分布を区別するようにすれば、発電分布特徴量Ｉ*から発電分布を容易に推定することができるという利点がある。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。

１０…燃料電池スタック、１１…単セル、１１ｓ…セル面、１２in…アノードガス供給マニフォールド、１２out…アノードガス排出マニフォールド、１４in…カソードガス供給マニフォールド、１４out…カソードガス排出マニフォールド、２０…制御装置、３０…カソードガス供給部、３１…カソードガス配管、３２…エアフローメータ、３３…コンプレッサ、３４…第１開閉弁、３６…分流弁、３７…大気圧センサ、４１…カソードオフガス配管、４２…第１レギュレータ、５０…アノードガス供給部、５１…アノードガス配管、５２…アノードガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２レギュレータ、５５…インジェクタ、５６…圧力センサ、６１…アノードオフガス配管、６２…気液分離装置、６３…排出弁、６４…循環配管、６５…アノードガスポンプ、８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８１…パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）、８２…負荷、８３…二次電池、１００…燃料電池システム、１１０…車両、２１０…位相差演算部、２２０…推定部、２３０…運転条件制御部、３１０…電圧検出部、３２０…電流検出部、３３０…交流信号供給部

Claims (7)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、
   前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、
   前記燃料電池の両端の電極に交流信号を供給する交流信号供給部と、
   前記電圧検出部で検出された検出交流電圧と前記電流検出部で検出された検出交流電流から、前記検出交流電圧に対する前記検出交流電流の位相差を演算する位相差演算部と、
   前記燃料電池のセル面内における発電分布を表す発電分布特徴量と前記位相差との間の予め定められた関係を用いて、前記位相差に応じて前記発電分布特徴量を推定する推定部と、
   を備え、
   前記発電分布特徴量は、前記セル面内における局所電流密度の最大値と最小値の差分を示す値を含む、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記セル面は、前記セル面内を流れるカソードガスの入口から出口までの面内カソードガス流路を有し、
   前記面内カソードガス流路を前記入口に近い上流部分と前記出口に近い下流部分とに区分したとき、前記発電分布特徴量は、前記局所電流密度の最大値が前記上流部分に存在するとともに前記局所電流密度の最小値が前記下流部分に存在する第１発電分布と、前記局所電流密度の最大値が前記下流部分に存在するとともに前記局所電流密度の最小値が前記上流部分に存在する第２発電分布と、のいずれに該当するかを示す、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記発電分布特徴量は、前記第１発電分布と前記第２発電分布のいずれに該当するかを、前記発電分布特徴量の正負の符号によって区別する、燃料電池システム。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、更に、
   前記位相差により推定される前記発電分布特徴量が予め定められた許容範囲から外れている場合に、前記発電分布特徴量を前記許容範囲内に収めるように前記燃料電池システムの運転条件を変更する運転条件制御部を備える、燃料電池システム。
5. 請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記推定部は、前記位相差に応じて、前記燃料電池の湿潤度が予め定められた湿潤度範囲よりも低い第１状態と、前記燃料電池の湿潤度が前記湿潤度範囲内にある第２状態と、前記燃料電池の湿潤度が前記湿潤度範囲よりも高い第３状態と、のいずれの状態にあるかを推定する、燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、更に、
   前記燃料電池が前記第１状態又は前記第３状態にあるものと推定された場合に、前記燃料電池が上記第２状態になるように前記燃料電池システムの運転条件を変更する運転条件制御部を備える、燃料電池システム。
7. 燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック全体の出力電圧を検出する電圧検出部と、
   前記燃料電池スタック全体の出力電流を検出する電流検出部と、
   前記燃料電池スタックの両端の電極に交流信号を供給する交流信号供給部と、
   前記電圧検出部で検出された検出交流電圧と前記電流検出部で検出された検出交流電流から、前記検出交流電圧に対する前記検出交流電流の位相差を演算する位相差演算部と、
   前記位相差に応じて前記燃料電池システムの運転条件を変更して前記燃料電池スタックの湿潤状態を制御する運転条件制御部を備え、
   前記運転条件制御部は、前記位相差が第１の値よりも大きな第２の値である場合に、前記燃料電池システムの運転条件を、前記位相差が前記第１の値である場合よりも前記燃料電池スタックの湿潤度を低下させる運転条件とする、燃料電池システム。

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