JPWO2015114968A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える。燃料電池システムは、燃料電池の電解質膜の湿潤度を制御する湿潤制御が正常に実行されているか否かを判定する湿潤制御状態判定部と、燃料電池の合成容量を算出する合成容量算出部と、湿潤制御が正常であると判定された時に、燃料電池の合成容量が所定値よりも小さい場合には、燃料電池内のアノードガス濃度が低下していると判定するか、又はアノードガス濃度の上昇制御を実行するアノードガス濃度制御部と、を備える。

Description

本発明は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

ＪＰ２００９−２１０３１４Ａは、燃料電池のコンデンサ成分の静電容量を算出し、算出した静電容量に基づいて燃料電池の電解質膜の湿潤度（含水量）を診断する燃料電池システムを開示している。

一方、本願発明者らは、燃料電池のアノード電極側の電気二重層容量及びカソード電極側の電気二重層容量の合成容量が、電解質膜の湿潤度だけではなく、燃料電池内のアノードガス濃度に基づいて変化することを見出した。

そのため、燃料電池の合成容量がアノードガス濃度の影響を受けることを考慮していない上記燃料電池システムでは、燃料電池の電解質膜のドライアウト（乾燥異常）や燃料電池内のアノードガス濃度の低下を区別して検出することはできない。

本発明の目的は、燃料電池の電解質膜の湿潤度とは区別して燃料電池内のアノードガス濃度の状態を検出でき、アノードガス濃度状態に応じた適切な対応が可能となる燃料電池システムを提供することである。

本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料電池の電解質膜の湿潤度を制御する湿潤制御が正常に実行されているか否かを判定する湿潤制御状態判定部と、燃料電池の合成容量を算出する合成容量算出部と、湿潤制御が正常であると判定された時に、燃料電池の合成容量が所定値よりも小さい場合には、燃料電池内のアノードガス濃度が低下していると判定するか、又はアノードガス濃度の上昇制御を実行するアノードガス濃度制御部と、を備える。

図１は、本発明の実施形態による燃料電池の斜視図である。 図２は、図１の燃料電池のII−II断面図である。 図３は、本発明の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図４は、燃料電池の等価回路を示す図である。 図５は、燃料電池システムのコントローラが実行する管理制御のフローチャートである。 図６は、コントローラが実行する湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲ算出処理を示すフローチャートである。 図７は、燃料電池スタックの合成容量の算出原理を説明するための図である。 図８は、コントローラが実行する合成容量Ｃ算出処理を示すフローチャートである。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。

燃料電池は、燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とによって電解質膜を挟んで構成されている。燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。

アノード電極： ２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（１）
カソード電極： ４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
これら（１）（２）の電極反応によって、燃料電池は１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。

図１及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成を説明するための図である。図１は燃料電池１０の斜視図であり、図２は図１の燃料電池１０のII−II断面図である。

図１及び図２に示すように、燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１を挟むように配置されるアノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３と、を備える。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３とから構成されている。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面側にアノード電極１１２を有しており、他方の面側にカソード電極１１３を有している。

電解質膜１１１は、フッ素系樹脂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。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード電極１１２は、触媒層１１２Ａとガス拡散層１１２Ｂとを備える。触媒層１１２Ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子により形成された部材であって、電解質膜１１１と接するように設けられる。ガス拡散層１１２Ｂは、触媒層１１２Ａの外側に配置される。ガス拡散層１１２Ｂは、ガス拡散性及び導電性を有するカーボンクロスで形成された部材であって、触媒層１１２Ａ及びアノードセパレータ１２と接するように設けられる。

アノード電極１１２と同様に、カソード電極１１３も触媒層１１３Ａとガス拡散層１１３Ｂとを備える。触媒層１１３Ａは電解質膜１１１とガス拡散層１１３Ｂとの間に配置され、ガス拡散層１１３Ｂは触媒層１１３Ａとカソードセパレータ１３との間に配置される。

アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２Ｂの外側に配置される。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２にアノードガス（水素ガス）を供給するための複数のアノードガス流路１２１を備えている。アノードガス流路１２１は、溝状通路として形成されている。

カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３Ｂの外側に配置される。カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３にカソードガス（空気）を供給するための複数のカソードガス流路１３１を備えている。カソードガス流路１３１は、溝状通路として形成されている。

アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、アノードガス流路１２１を流れるアノードガスの流れ方向とカソードガス流路１３１を流れるカソードガスの流れ方向とが互いに逆向きとなるように構成されている。なお、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、これらガスの流れ方向が同じ向きに流れるように構成されてもよい。

このような燃料電池１０を自動車用電源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタック１として使用する。そして、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。

図３は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力システム５と、コントローラ６と、を備える。

燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池１０（単位セル）を積層した積層電池である。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す出力端子として、アノード電極側端子１Ａと、カソード電極側端子１Ｂと、を有している。

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外部に排出する。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（ＷＲＤ；Water Recovery Device）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１の一端はフィルタ２３に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口部に接続される。

カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口部に接続され、他端は開口端として形成される。カソードオフガスは、カソードガスや電極反応によって生じた水蒸気等を含む混合ガスである。

フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込まれるカソードガスに含まれる塵や埃等を除去する部材である。

カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３よりも下流側のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１内のカソードガスを圧送して燃料電池スタック１に供給する。

エアフローセンサ２４は、フィルタ２３とカソードコンプレッサ２５との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。

カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する。カソード圧力センサ２６で検出されたカソードガス圧力は、燃料電池スタック１のカソードガス流路等を含むカソード系全体の圧力を代表する。

ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１とカソードガス排出通路２２とに跨って接続される。ＷＲＤ２７は、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分を用いてカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。

カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ６によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を調整する。

次に、アノードガス給排装置３について説明する。アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスをカソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、バッファタンク３６と、パージ通路３７と、パージ弁３８と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する容器である。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給する通路である。アノードガス供給通路３２の一端は高圧タンク３１に接続され、他端は燃料電池スタック１のアノードガス入口部に接続される。

アノード調圧弁３３は、高圧タンク３１よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を調整する。

アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３４は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を検出する。アノード圧力センサ３４で検出されたアノードガス圧力は、バッファタンク３６や燃料電池スタック１のアノードガス流路等を含むアノード系全体の圧力を代表する。

アノードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスを流す通路である。アノードガス排出通路３５の一端は燃料電池スタック１のアノードガス出口部に接続され、他端はバッファタンク３６に接続される。アノードオフガスには、電極反応で使用されなかったアノードガスや、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へとリークしてきた窒素等の不純物ガス、水分等が含まれる。

バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５を流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える容器である。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガスは、パージ弁３８が開かれる時に、パージ通路３７を通ってカソードガス排出通路２２に排出される。

パージ通路３７は、アノードオフガスを排出するための通路である。パージ通路３７の一端はバッファタンク３６の上流のアノードガス排出通路３５に接続され、他端はカソード調圧弁２８よりも下流のカソードガス排出通路２２に接続される。

パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスのパージ流量を制御する。

パージ弁３８が開弁状態となるパージ制御が実行されると、アノードオフガスは、パージ通路３７及びカソードガス排出通路２２を通じて外部に排出される。この時、アノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合される。このようにアノードオフガスとカソードオフガスとを混合させて外部に排出することで、混合ガス中のアノードガス濃度（水素濃度）が排出許容濃度以下の値に設定される。

スタック冷却装置４は、不凍液等である冷却水によって燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に調整する温度調整装置である。スタック冷却装置４は、循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、入口水温センサ４７と、出口水温センサ４８と、を備える。

循環通路４１は、冷却水が循環するループ状通路として構成される。循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却水入口部に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却水出口部に接続される。

ラジエータ４２は、循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の熱を外部に放熱する熱交換器である。

バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を流す通路である。バイパス通路４３の一端はラジエータ４２の上流の循環通路４１に接続され、他端はラジエータ４２の下流の循環通路４１に設けられた三方弁４４に接続される。

三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水温度が所定温度よりも高い場合、三方弁４４は、燃料電池スタック１から排出された冷却水がラジエータ４２を通じて再び燃料電池スタック１に供給されるように切り換えられる。これに対して、冷却水温度が所定温度よりも低い場合、三方弁４４は、燃料電池スタック１から排出された冷却水がバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように切り換えられる。

循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流の循環通路４１に設けられ、冷却水を循環させる。

ＰＴＣヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水温度を上昇させる。

入口水温センサ４７は燃料電池スタック１の冷却水入口部近傍の循環通路４１に設けられ、出口水温センサ４８は燃料電池スタック１の冷却水出口部近傍の循環通路４１に設けられる。入口水温センサ４７は燃料電池スタック１に流入する冷却水温度を検出し、出口水温センサ４８は燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。入口水温センサ４７によって検出された入口水温と出口水温センサ４８によって検出された出口水温とから算出される平均水温は、燃料電池スタック１の内部温度、いわゆるスタック温度として使用される。

電力システム５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、走行モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、を備える。

電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される出力電流を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の出力電圧、つまりアノード電極側端子１Ａとカソード電極側端子１Ｂの間の端子間電圧を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池１０の１枚ごとの電圧を検出するように構成されてもよいし、燃料電池１０の複数枚ごとの電圧を検出するように構成されてもよい。

走行モータ５３は、三相交流同期モータであって、車輪を駆動するため駆動源である。走行モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、外力によって回転駆動されることで発電する発電機としての機能と、を有する。

インバータ５４は、ＩＧＢＴ等の複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によってスイッチング制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は交流電力が直流電力に変換される。走行モータ５３を電動機として機能させる場合、インバータ５４は、燃料電池スタック１の出力電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換し、走行モータ５３に供給する。これに対して、走行モータ５３を発電機として機能させる場合、インバータ５４は、走行モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換し、バッテリ５５に供給する。

バッテリ５５は、燃料電池スタック１の出力電力の余剰分及び走行モータ５３の回生電力が充電されるように構成されている。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５等の補機類や走行モータ５３に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流等が調整される。

コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６には、エアフローセンサ２４等の各種センサからの信号の他、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ６１等の燃料電池システム１００の状態を検出するセンサからの信号が入力される。

コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、アノード調圧弁３３やカソード調圧弁２８、カソードコンプレッサ２５等を制御し、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスやカソードガスの圧力や流量を調整する。

また、コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電力を算出する。コントローラ６は、走行モータ５３の要求電力やカソードコンプレッサ２５等の補機類の要求電力、バッテリ５５の充放電要求等に基づいて、目標出力電力を算出する。コントローラ６は、目標出力電力に基づいて、予め定められた燃料電池スタック１のＩＶ特性（電流電圧特性）を参照して燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。そして、コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流が目標出力電流となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御し、走行モータ５３や補機類に必要な電流を供給する。

また、コントローラ６は、燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤度（含水量）が発電に適した状態となるように、カソードコンプレッサ２５や循環ポンプ４５等を制御する。コントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤度と相関関係のある燃料電池スタック１の内部インピーダンスＨＦＲを算出し、湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲが目標ＨＦＲとなるようにカソードコンプレッサ２５や循環ポンプ４５等を制御する。本実施形態では、目標ＨＦＲは予め実験等で定めた発電に適した所定値に設定されている。目標ＨＦＲは、燃料電池システム１００の状態に応じて適宜設定されてもよい。

湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲは、例えば交流インピーダンス法に基づいて算出される。交流インピーダンス法を用いる場合には、コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧が湿潤度判定用周波数（例えば１ｋＨｚ）を有する交流信号となるように燃料電池スタック１の出力を制御し、この時検出される出力電流値及び出力電圧値に基づいて湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲを算出する。潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲの算出の一例については、図６を参照して後述する。なお、湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲについては、交流インピーダンス法以外の手法、例えば交流ブリッジ法を用いて算出することもできる。

ところで、燃料電池システム１００では燃料電池スタック１内のアノードガス濃度（水素濃度）は効率的及び安定的な発電が可能な濃度に維持されることが重要であり、アノードガス濃度が発電効率を低下させるような濃度となることは避けなければならない。燃料電池スタック１内のアノードガス濃度に関して、本願発明者らは、燃料電池スタック１内のアノードガス濃度と燃料電池スタック１の合成容量との間に相関関係があることを見出した。燃料電池スタック１の合成容量とは、各燃料電池１０のアノード電極１１２の電気二重層容量とカソード電極１１３の電気二重層容量を合成した容量である。本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の合成容量に基づいて、燃料電池スタック１におけるアノードガス濃度の状態を検出するように構成されている。

燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の合成容量は、交流インピーダンス法を用いて得られる合成容量判定用内部インピーダンスに基づいて算出される。例えば、コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧が湿潤度判定用周波数より低い合成容量判定用周波数（例えば数〜数百Ｈｚ）を有する交流信号となるように燃料電池スタック１の出力を制御する。そして、コントローラ６は、出力電流値及び出力電圧値に基づいて合成容量判定用内部インピーダンスを算出して、合成容量判定用内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍに基づいて燃料電池スタック１の合成容量を算出する。合成容量の算出の一例については、図８を参照して後述する。

次に、図４を参照して、燃料電池１０の合成容量に基づくアノードガス濃度状態の検出原理について説明する。図４は、燃料電池１０の等価回路を示す模式図である。

図４に示すように、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の等価回路は、電解質膜１１１の膜抵抗Ｒｍｅｍと、アノード電極１１２のファラデーインピーダンスＺ_Fa（抵抗成分）及び電気二重層容量Ｃａ（コンデンサ成分）と、カソード電極１１３のファラデーインピーダンスＺ_Fc（抵抗成分）及び電気二重層容量Ｃｃ（コンデンサ成分）とによって表される。

このような等価回路に、例えば上述した合成容量判定用周波数を含む交流電流（交流信号）を重畳した場合には、交流インピーダンス法を利用して燃料電池１０のアノード電極１１２の電気二重層容量Ｃａとカソード電極１１３の電気二重層容量Ｃｃを合成した合成容量を算出することができる。

ここで、アノードガス内に不純物ガス等がほとんど含まれておらず、燃料電池１０内のアノードガス濃度が低下していない場合には、アノード電極１１２の周辺には十分な量のアノードガスが存在している。アノードガスはアノード電極１１２での反応性が高いため、燃料電池１０内にアノードガスが十分ある場合、アノード電極１１２のファラデーインピーダンスＺ_Faは非常に小さくなり、合成容量検出時における交流電流はアノード電極１１２の電気二重層容量Ｃａにはほとんど流れ込まない。そのため、燃料電池１０の合成容量は、アノード電極１１２の電気二重層容量Ｃａを含まない、カソード電極１１３の電気二重層容量Ｃｃのみの値となる。

一方、アノードガス内の不純物ガス等が増加し、アノードガス濃度が低下すると、アノード電極１１２の周辺のアノードガス量が減少する。このような場合にはアノード電極１１２でのアノードガスの反応性が低下するため、アノード電極１１２のファラデーインピーダンスＺ_Faが大きくなる。そうすると、合成容量検出時における交流電流はアノード電極１１２のファラデーインピーダンスＺ_Faだけでなく電気二重層容量Ｃａにも流れ込む。その結果、燃料電池１０の合成容量Ｃは、（１）式で示すように、アノード電極１１２の電気二重層容量Ｃａとカソード電極１１３の電気二重層容量Ｃｃとを合成した値となる。

アノードガス濃度が低下すると、アノード電極１１２の電気二重層容量Ｃａの影響が大きくなり電気二重層容量Ｃａの見掛け上の値が増大するので、（１）式で算出される燃料電池１０の合成容量Ｃはアノードガス濃度が低下するほど小さくなる。つまり、燃料電池１０の合成容量Ｃは、アノードガス濃度に応じて変化し、アノードガス濃度が低くなるほど低下する。本実施形態ではこのような合成容量の特性を利用し、燃料電池システム１００は燃料電池スタック１の合成容量に基づいてアノードガス濃度の状態を検出するように構成されている。

ここで、カソードガス濃度が低下し、カソード電極１１３周辺のカソードガス量が減少した場合について考える。カソードガスのカソード電極１１３での反応性は低いため、カソード電極１１３のファラデーインピーダンスＺ_Fcは大きく、合成容量検出時においてカソード電極１１３の電気二重層容量Ｃｃを無視することはできない。そのため、カソードガス濃度が低下し、カソード電極１１３のファラデーインピーダンスＺ_Fcが増大しても、カソード電極１１３の電気二重層容量Ｃｃは大きく変化することがない。したがって、本実施形態による燃料電池システム１００では、カソードガス濃度が低下するような状況であっても、燃料電池１０の合成容量に基づいてアノードガス濃度の状態を精度よく検出することができる。

次に、図５を参照して、燃料電池スタック１の湿潤度及びアノードガス濃度の管理制御について説明する。図５は、燃料電池システム１００のコントローラ６が実行する管理制御を示すフローチャートである。この管理制御は、燃料電池システム１００の起動後から終了するまでの間、所定の演算周期で繰り返し実行される。

ステップ１０１（Ｓ１０１）において、コントローラ６は、湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲを算出する処理を実行する。湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲは、燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤度と相関関係のある指標である。湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲは、電解質膜１１１の湿潤度が低くなるほど、つまり電解質膜１１１が乾燥するほど大きな値となる。なお、湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲ算出処理の詳細については、図６を参照して後述する。

Ｓ１０２では、コントローラ６は、Ｓ１０１で算出した湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲが所定範囲内の値となっているか否かを判定する。所定範囲は、電解質膜１１１の湿潤度が発電に適した湿潤度となる範囲に設定されている。

湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲが所定範囲内の値となっている場合には、コントローラ６は、湿潤制御（湿潤度制御）が正常に実行されていると判定し、Ｓ１０３の処理を実行する。一方、コントローラ６は、湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲが所定範囲の下限値よりも小さい場合には湿潤制御が異常であって電解質膜１１１が過乾燥状態であると判定し、湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲが所定範囲の上限値よりも大きい場合には湿潤制御が異常であって電解質膜１１１が過湿潤状態であると判定する。このように湿潤制御が異常であると判定された場合には、コントローラ６はＳ１０６以降の処理を実行する。

Ｓ１０２において湿潤制御が正常に実行されていると判定された場合には、コントローラ６は、Ｓ１０３において燃料電池スタック１の合成容量Ｃを算出する処理を実行する。燃料電池スタック１の合成容量Ｃは、燃料電池スタック１内のアノードガス濃度と相関関係のある指標であって、アノードガス濃度が低下するほど小さな値となる。なお、合成容量Ｃ算出処理の詳細については、図７及び図８を参照して後述する。

Ｓ１０４では、コントローラ６は、Ｓ１０３で算出した合成容量Ｃが判定値Ｃｒよりも小さいか否かを判定する。判定値Ｃｒは、燃料電池スタック１内のアノードガス濃度が発電に必要な濃度であるかを判定可能な値に設定されている。

算出された合成容量Ｃが判定値Ｃｒ以上である場合には、コントローラ６は、燃料電池スタック１内のアノードガス濃度は正常であって発電に必要な量のアノードガスが燃料電池スタック１に供給されていると判定し、本管理制御を終了する。一方、算出された合成容量Ｃが判定値Ｃｒより小さい場合には、コントローラ６は、燃料電池スタック１内のアノードガス濃度が低くアノードガス量が不足していると判定し、Ｓ１０５の処理を実行する。

Ｓ１０５では、コントローラ６は、燃料電池スタック１内のアノードガス濃度を回復（上昇）させる制御を実行する。Ｓ１０５の処理後、コントローラ６は本管理制御を終了する。

アノードガス濃度回復制御では、コントローラ６は、アノード圧力が高くなるようにアノード調圧弁３３を制御したり、アノードオフガスが排出されるようにパージ弁３８を制御したりする。なお、燃料電池システム１００がアノードガス排出通路３５に排出されたアノードオフガスを図示しない還流ポンプによりアノードガス供給通路３２に還流するように構成されている場合、還流されるアノードオフガスの流量が多くなるように還流ポンプを制御して、アノードガス濃度を回復させてもよい。

上記の通り、コントローラ６は、合成容量Ｃが判定値Ｃｒより小さい場合、アノードガス濃度が低下していると判定して、アノードガス濃度回復制御を実行する。しかしながら、コントローラ６は、合成容量Ｃが判定値Ｃｒより小さい場合、アノードガス濃度の低下を判定することなく、アノードガス回復制御のみを実行するように構成されてもよい。また、コントローラ６は、合成容量Ｃが判定値Ｃｒより小さい場合、アノードガス濃度の低下を判定し、低アノードガス濃度状態であることを運転者等に報知するように構成されてもよい。

ところで、Ｓ１０２において湿潤制御が異常であると判定された場合には、コントローラ６は、Ｓ１０６の合成容量Ｃ算出処理を実行し、その後Ｓ１０７において合成容量Ｃが判定値Ｃｒよりも小さいか否かを判定する。Ｓ１０６の処理はＳ１０３の処理と同様の処理であり、Ｓ１０７の処理はＳ１０４の処理と同様の処理である。

Ｓ１０７において合成容量Ｃが判定値Ｃｒより小さいと判定された場合には、コントローラ６はＳ１０８の処理を実行する。Ｓ１０８では、コントローラ６は、湿潤度回復制御及びアノードガス濃度回復制御を実行する。Ｓ１０８の処理後、コントローラ６は本管理制御を終了する。

湿潤制御に異常がある場合、特に電解質膜１１１の湿潤度が過乾燥となっている場合には、湿潤度の低下に起因して燃料電池スタック１の合成容量が低下することが知られている。そのため、湿潤制御に異常があって電解質膜１１１が過乾燥となっている状態では、燃料電池スタック１の合成容量の低下が、湿潤度の低下によるものか、アノードガス濃度の低下によるものかを判別できなくなる。その結果、燃料電池スタック１の合成容量に基づいて、アノードガス濃度の低下を検出することができなくなるおそれがある。そこで、湿潤制御の異常時に燃料電池スタック１の合成容量Ｃが判定値Ｃｒよりも小さくなった場合には、コントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤度を回復させる制御を実行するだけでなく、燃料電池スタック１内のアノードガス濃度を回復（上昇）させる制御も同時に実行する。

電解質膜１１１が過乾燥状態である場合には湿潤度を高めるため、コントローラ６は、カソードガス流量が少なくなるようカソードコンプレッサ２５を制御したり、スタック温度が低下するように循環ポンプ４５を制御したりする。一方、電解質膜１１１が過湿潤状態である場合には湿潤度を低下させるため、コントローラ６は、カソードガス流量が多くなるようカソードコンプレッサ２５を制御したり、スタック温度が上昇するように循環ポンプ４５を制御したりする。なお、Ｓ１０８におけるアノードガス濃度回復制御は、Ｓ１０５の場合と同様である。

一方、Ｓ１０７において合成容量Ｃが判定値Ｃｒ以上であると判定された場合には、コントローラ６は、少なくともアノードガス濃度の低下はないと判断して、Ｓ１０９の処理を実行する。Ｓ１０９では、コントローラ６は、湿潤度回復制御のみを実行した後、本管理制御を終了する。なお、Ｓ１０９における湿潤度回復制御は、Ｓ１０８の場合と同様である。

図６を参照して、図５のＳ１０１で実行される燃料電池スタック１の湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲの算出処理について説明する。湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲの算出処理は、交流インピーダンス法に基づくものである。

Ｓ２０１において、コントローラ６は、燃料電池スタック１から出力される出力電流及び出力電圧が湿潤度判定用周波数（例えば１ｋＨｚ）を有する交流信号となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御する。

Ｓ２０２において、コントローラ６は、電流センサ５１により検出した出力電流値（交流電流値）に既知のフーリエ変換処理を施して、湿潤度判定用周波数における電流振幅値を算出する。

Ｓ２０３において、コントローラ６は、電圧センサ５２により検出した出力電圧値（交流電圧値）に既知のフーリエ変換処理を施して、湿潤度判定用周波数における電圧振幅値を算出する。

Ｓ２０４において、コントローラ６は、Ｓ２０３で算出した電圧振幅値をＳ２０２で算出した電流振幅値で除して、電解質膜１１１の湿潤度と相関関係のある湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲを算出する。Ｓ２０４の処理後、コントローラ６は湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲ算出処理を終了する。

Ｓ２０４で算出された湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲは、図５の管理制御のＳ１０２において湿潤制御の状態を判断するために使用される。

次に、図７及び図８を参照して、燃料電池スタック１の合成容量Ｃの算出について説明する。図７は燃料電池スタック１の合成容量Ｃの算出原理を説明するための図であり、図８は図５のＳ１０３及びＳ１０６で実行される合成容量Ｃ算出処理を示すフローチャートである。

燃料電池スタック１の合成容量Ｃの算出は、交流インピーダンス法を利用して実行される。図４に示すように、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の等価回路は、電解質膜１１１の膜抵抗Ｒｍｅｍと、アノード電極１１２のファラデーインピーダンスＺ_Fa及び電気二重層容量Ｃａと、カソード電極１１３のファラデーインピーダンスＺ_Fc及び電気二重層容量Ｃｃとによって表される。このような等価回路において、燃料電池１０の内部インピーダンスＺ（合成インピーダンス）は（２）式のように表わされる。

内部インピーダンスＺの虚部成分Ｚｉｍを抜き出すと、（２）式は（３）式のように変形できる。

（３）式をさらに変形すると、（４）式のようになる。

（４）式をω＝∞として整理すると、（５）式のようになる。

この（５）式の右辺は、燃料電池スタック１を構成するアノード電極１１２とカソード電極１１３の電気二重層容量の直列合成容量を示している。また、横軸を１／ω²とし縦軸を−１／ω・Ｚｉｍとすると、（４）式は図７の実線（特性図）を示す線となる。図７に示すように特性図はアノード電極内のアノードガス濃度（水素濃度）に応じて異なる傾向を示すが、これら実線の切片はアノード電極１１２とカソード電極１１３の電気二重層容量の直列合成容量（Ｃ_aＣ_c／（Ｃ_a＋Ｃ_c））となる。

ここで、アノード電極側のアノードガス濃度が十分に高く、燃料電池スタック１に重畳される交流電流の周波数が十分に低い場合には、燃料電池スタック１をモデル化した等価回路は、図４に示した等価回路のアノード電極１１２を省略した回路となる。

このような等価回路においては、内部インピーダンスＺの虚部成分Ｚｉｍに関する式として（６）式が得られる。

（６）式は、横軸を１／ω²とし縦軸を−１／ω・Ｚｉｍとした場合に、傾きが１／（Ｃ_c・Ｚ_Fc ²）で切片がＣ_cの直線を示す。この（６）式の切片が合成容量Ｃを示している。アノード電極側のアノードガス濃度が十分に高く、燃料電池スタック１に重畳される交流電流の周波数が十分に低い場合には、合成容量Ｃにはアノード電極１１２の電気二重層容量Ｃａは反映されず、カソード電極１１３の電気二重層容量Ｃｃが合成容量Ｃとなる。つまり、図７の特性図Ｌ_Aにおいては、低周波数領域に接する接線Ａの切片が合成容量Ｃとなることを意味している。

したがって、各アノードガス濃度での燃料電池スタック１の合成容量Ｃは、図７の実線で示された特性図の低周波領域に接する接線Ａ〜Ｄの切片から求めることができる。アノードガス濃度が高い正常状態では、合成容量Ｃはカソード電極１１３の電気二重層容量Ｃｃ（接線Ａの切片）となる。そして、異常等が発生してアノードガス濃度が低下するほど、合成容量Ｃ（接線Ｂ〜Ｄの切片）は直列合成容量（Ｃ_aＣ_c／（Ｃ_a＋Ｃ_c））に近づいていく。このように、アノードガス濃度が低下するにつれて、燃料電池スタック１の合成容量Ｃは低下する。

上記したように、各アノードガス濃度での燃料電池スタック１の合成容量は、図７の実線で示された特性図の低周波領域に接する接線の切片から求めることができる。しかしながら、実線Ｌ_A〜Ｌ_Dの特性図に対する接線を描くためには複数の周波数での実測値が必要となってしまう。

そこで、本実施形態による燃料電池システム１００は、予め設定された一の合成容量判定用周波数ｆでの−１／ω・Ｚｉｍを、燃料電池スタック１の合成容量として算出するように構成されている。

図７に示すように、合成容量判定用周波数ｆは、予め用意されたアノードガス濃度ごとの特性図（実線Ｌ_A〜Ｌ_D）と各特性図に接する接線（破線Ａ〜Ｄ）とにおいて、特性図の縦軸の値が当該特性図に対応する接線の切片の値と等しくなる位置での特性図の横軸の値から得られるアノードガス濃度ごとの周波数ｆ_A〜ｆ_Dに基づいて設定される。具体的には、アノードガス濃度ごとの周波数ｆ_A〜ｆ_Dの平均値や中央値等が、合成容量判定用周波数ｆとして設定される。合成容量判定用周波数ｆは、湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲ算出時における湿潤度判定用周波数（例えば１ｋＨｚ）よりも低い周波数（数Ｈｚ〜数百Ｈｚ）となる。そして、このように設定された合成容量判定用周波数ｆでの−１／ω・Ｚｉｍの値は、許容誤差範囲内の燃料電池スタック１の合成容量とみなすことができる。

図８を参照して、図５のＳ１０３及びＳ１０６で実行される燃料電池スタック１の合成容量Ｃの算出処理について説明する。合成容量Ｃ算出処理は、交流インピーダンス法に基づくものである。

Ｓ３０１において、コントローラ６は、燃料電池スタック１から出力される出力電流及び出力電圧が合成容量判定用周波数ｆを有する交流信号となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御する。

Ｓ３０２において、コントローラ６は、電流センサ５１により検出した出力電流値（交流電流値）に既知のフーリエ変換処理を施して、合成容量判定用周波数における電流振幅値を算出する。

Ｓ３０３において、コントローラ６は、電圧センサ５２により検出した出力電圧値（交流電圧値）に既知のフーリエ変換処理を施して、合成容量判定用周波数における電圧振幅値を算出する。

Ｓ３０４において、コントローラ６は、Ｓ３０３で算出した電圧振幅値をＳ３０２で算出した電流振幅値で除して、合成容量判定用内部インピーダンスＺを算出する。

Ｓ３０５では、コントローラ６は、電流センサ５１により検出した出力電流値及び電圧センサ５２により検出した出力電圧値にフーリエ変換処理を施した後、出力電流値に対する出力電圧値の位相遅れθを算出する。

Ｓ３０６では、コントローラ６は、合成容量判定用内部インピーダンスＺ及び位相遅れθに基づいて、合成容量判定用内部インピーダンスＺの虚部成分Ｚｉｍを算出する。

Ｓ３０７では、コントローラ６は、合成容量判定用周波数ｆと合成容量判定用内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍとから、（７）式に基づいてアノードガス濃度と相関関係のある燃料電池スタック１の合成容量Ｃを算出する。Ｓ３０７の処理後、コントローラ６は合成容量Ｃ算出処理を終了する。

Ｓ３０７で算出された燃料電池スタック１の合成容量Ｃは、図５の管理制御のＳ１０４及びＳ１０７においてアノードガス濃度の状態を判断するために使用される。

上記した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の発電状態等を制御するコントローラ６と、を備える。コントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤度を制御する湿潤制御が正常に実行されているか否かを判定する湿潤制御状態判定部（Ｓ１０２）と、燃料電池スタック１の合成容量を算出する合成容量算出部（Ｓ１０３）とを含んでいる。さらに、コントローラ６は、湿潤制御が正常であると判定された時に合成容量が所定値よりも小さい場合に、燃料電池スタック１内のアノードガス濃度が低下していると判定する、又はアノードガス濃度の上昇制御を実行するアノードガス濃度制御部（Ｓ１０５）を含んでいる。このように、湿潤制御が正常に実行されている場合に、燃料電池スタック１の合成容量に基づいてアノードガス濃度の状態を検出するので、電解質膜１１１の湿潤度とは区別してアノードガス濃度の状態を検出できる。その結果、より確実にアノードガス濃度の低下判定やアノードガス濃度の回復制御（上昇制御）を実行することが可能となる。

アノードガス濃度の低下を判定する場合には、燃料電池スタック１が低アノードガス濃度状態であることを報知したり、燃料電池システム１００の運転を停止させたりすることができる。一方、アノードガス濃度の回復制御を実行する場合には、燃料電池スタック１での発電効率等を回復させることができる。

なお、従来手法においては、アノードガス濃度の変化を燃料電池の出力電圧の変化として検出すること等が考えられている。しかしながら、燃料電池システム１００のようにアノードガス濃度変化に基づく合成容量の変化量の方が、アノードガス濃度変化に基づく出力電圧の変化量と比べて大きい。そのため、燃料電池システム１００のように燃料電池スタック１の合成容量に基づいてアノードガス濃度の状態を検出する場合、アノードガス濃度の状態を精度よく検出することが可能となる。

コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧が所定周波数を有する交流信号となるように燃料電池スタック１の出力を制御する出力制御部（Ｓ２０１，Ｓ３０１）と、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出部（Ｓ２０４，Ｓ３０４）と、を含んでいる。そして、コントローラ６は、湿潤度判定用周波数での燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧から算出された湿潤度判定用内部インピーダンスＨＦＲに基づいて湿潤制御の状態を判定する。また、コントローラ６は、湿潤度判定用周波数よりも低く設定された合成容量判定用周波数での燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧から算出された合成容量判定用内部インピーダンスに基づいて燃料電池スタック１の合成容量Ｃを算出する。このように交流インピーダンス法における測定周波数を湿潤度判定用周波数と合成容量判定用周波数とに分けて使用しているので、湿潤制御の状態及びアノードガス濃度の状態を区別して検出することができる。

コントローラ６は、合成容量判定用周波数をｆとし、合成容量判定用内部インピーダンスの虚部成分をＺｉｍとした場合に、上述した（７）式に基づいて燃料電池スタック１の合成容量Ｃを算出する。このように燃料電池システム１００によれば、合成容量判定用周波数ｆと合成容量判定用内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍとを用いて、燃料電池スタック１の合成容量Ｃを簡易かつ迅速に算出することができる。

合成容量判定用周波数ｆは、横軸を１／ω²とし縦軸を−１／ω・Ｚｉｍとする予め用意されたアノードガス濃度ごとの特性図と、各特性図の低周波数領域で当該特性図に接する接線とにおいて、特性図の縦軸の値が当該特性図に対応する接線の切片の値と等しくなる位置での、特性図の横軸の値から得られるアノードガス濃度ごとの周波数に基づいて設定される。より具体的には、アノードガス濃度ごとの周波数の平均値や中央値等が合成容量判定用周波数ｆとして設定される。このように設定された一の合成容量判定用周波数ｆと、合成容量判定用内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍとを用いることで、燃料電池スタック１の合成容量Ｃを簡易かつ迅速に算出することができる。

コントローラ６は、湿潤制御が異常であると判定された時に、燃料電池スタック１の合成容量が所定値よりも小さい場合、アノードガス濃度の回復制御（上昇制御）を実行するとともに燃料電池スタック１の電解質膜１１１の湿潤度を高める制御を実行する。湿潤制御の異常時に燃料電池スタック１の合成容量が低下した場合には、合成容量の低下が湿潤度の低下によるものか、アノードガス濃度の低下によるものかを判別できなくなる。そのため、湿潤度回復制御及びアノードガス濃度回復制御の両方を同時に実行することで、アノードガス濃度の低下を明確に判別することができない状態であっても、燃料電池システム１００の運転を継続させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したにすぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本実施形態の燃料電池システム１００のコントローラ６は、湿潤度判定用内部インピーダンスを用いて湿潤制御の異常を検出するように構成されている。しかしながら、コントローラ６は、湿潤度判定用内部インピーダンスではなく、その他の燃料電池システム１００の状態情報を用いて湿潤制御の異常を検出するように構成されてもよい。

また、図８は燃料電池スタック１の合成容量Ｃの算出方法の一例を示すものであり、合成容量Ｃの算出方法は図８の手法に限定されない。

本願は２０１４年１月３０日に日本国特許庁に出願された特許出願Ｎｏ．２０１４−１５７７２に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (5)

1. アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の電解質膜の湿潤度を制御する湿潤制御が正常に実行されているか否かを判定する湿潤制御状態判定部と、
   前記燃料電池の合成容量を算出する合成容量算出部と、
   前記湿潤制御が正常であると判定された時に、前記燃料電池の合成容量が所定値よりも小さい場合には、前記燃料電池内のアノードガス濃度が低下していると判定するか、又はアノードガス濃度の上昇制御を実行するアノードガス濃度制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の出力電流及び出力電圧が所定周波数を有する交流信号となるように前記燃料電池の出力を制御する出力制御部と、
   所定周波数における前記燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて、前記燃料電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出部と、をさらに備え、
   前記湿潤制御状態判定部は、湿潤度判定用周波数での前記燃料電池の出力電流及び出力電圧から算出された内部インピーダンスに基づいて湿潤制御の状態を判定し、
   前記合成容量算出部は、湿潤度判定用周波数よりも低く設定された合成容量判定用周波数での前記燃料電池の出力電流及び出力電圧から算出された内部インピーダンスに基づいて前記燃料電池の合成容量を算出する、
   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、
   前記合成容量算出部は、合成容量判定用周波数をｆとし、当該合成容量判定用周波数ｆでの内部インピーダンスの虚部成分をＺｉｍとした場合に、（１）式により前記燃料電池の合成容量Ｃを算出する、
   燃料電池システム。
   

   
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記合成容量判定用周波数は、横軸を１／ω²とし縦軸を−１／ω・Ｚｉｍとするアノードガス濃度ごとの特性図と、各特性図の低周波数領域で当該特性図に接する接線とにおいて、前記特性図の縦軸の値が当該特性図に対応する前記接線の切片の値と等しくなる位置での、前記特性図の横軸の値から得られるアノードガス濃度ごとの周波数に基づいて設定される、
   燃料電池システム。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
   前記アノードガス濃度制御部は、前記湿潤制御が異常であると判定された時に、前記燃料電池の合成容量が所定値よりも小さい場合、アノードガス濃度の上昇制御を実行するとともに前記燃料電池の電解質膜の湿潤度を高める制御を実行する、
   燃料電池システム。

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