WO2010131351A1

WO2010131351A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2010131351A1
Application number: PCT/JP2009/058990
Authority: WO
Inventors: 智隆石川; 啓吾末松; 修夫渡辺
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2010-11-18
Also published as: US20120058404A1; JP5273244B2; CN102422473A; DE112009004773T5; CN102422473B; US8728672B2; JPWO2010131351A1; DE112009004773B4

Abstract

　本発明は、燃料電池に供給される反応ガスの供給状態を変動させることなく、燃料電池の含水状態を判定することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。本発明における燃料電池システムの制御部は、出力電流制御部71、含水状態判定部72、及び含水量増加／減少処理部73,74 を有する。ここで、出力電流制御部71 は、燃料電池への酸化ガスの供給量を維持したまま、一時的に電流挿引を行い、抵抗成分算出部72b は、一時的に電流挿引されている時の燃料電池の出力電流値及び出力電圧値を用いて燃料電池内の抵抗成分を算出する。含水量算出部72c は、前記抵抗成分を用いて燃料電池内の含水量を算出し、含水量判定部72d は、含水量が乾燥状態閾値以下であるか否かを判定し、含水量増加処理部73 は、含水量が乾燥状態閾値以下で在る場合、含水量増加処理を実行するようにし、上記課題の解決を図ったものである。

Description

燃料電池システム

　本発明は、燃料電池システムに関する。

　下記特許文献１には、燃料電池システムの燃料電池内の含水量を診断するための技術が開示されている。この燃料電池システムでは、燃料電池の出力電流を一定の変化率で変化させたときのセル電圧の変化率を求め、このセル電圧の変化率と予め定められている基準電圧変化率との差に応じて、燃料電池内の含水量を診断している。

特開２００８－１２３７８３号公報

　ところで、上述した燃料電池システムでは、燃料電池の出力電流を一定の変化率で変化させる際に、燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を変化させている。燃料ガスの供給量を変化させると、圧力や生成水量等の諸条件が変動するため、燃料電池内の含水量を正確に診断することが難しくなる。

　本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料電池に供給される反応ガスの供給状態を変動させることなく、燃料電池の含水状態を判定することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

　上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、複数の単セルが積層してなるセル積層体を有し、当該セル積層体に供給される反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池への前記反応ガスの供給量を維持したまま、前記燃料電池の出力電流を一時的に増加させる出力電流制御手段と、前記出力電流制御手段によって前記出力電流が一時的に増加させられているときの前記燃料電池の出力電圧を用いて、前記燃料電池内の含水状態を判定する含水状態判定手段と、を備えることを特徴とする。

　この発明によれば、燃料電池への反応ガスの供給量を維持したまま、燃料電池内の含水状態を判定することが可能となる。

　上記燃料電池システムにおいて、上記含水状態判定手段によって、前記燃料電池内の含水状態が乾燥状態であると判定された場合に、前記燃料電池内の含水量を増加させる含水量増加処理を実行する含水量増加手段を、さらに備えることとしてもよい。

　これにより、燃料電池内が乾燥状態であるときには、燃料電池内の含水量を増加させることが可能となる。

　上記燃料電池システムにおいて、上記含水状態判定手段は、前記出力電流制御手段によって前記出力電流が一時的に増加させられているときの前記燃料電池の出力電流値および出力電圧値から抵抗成分を算出する抵抗成分算出手段と、前記抵抗成分算出手段により算出された前記抵抗成分に対応する前記燃料電池内の含水量を算出する含水量算出手段と、前記含水量算出手段により算出された前記含水量が、乾燥状態であることを判定する際の乾燥状態閾値以下であるか否かを判定する含水量判定手段と、を備え、上記含水量増加手段は、前記含水量判定手段によって、前記含水量が前記乾燥状態閾値以下であると判定された場合に、前記含水量増加処理を実行することとしてもよい。

　これにより、燃料電池内の抵抗成分に基づいて燃料電池内の含水量を算出することができ、この算出した含水量が乾燥状態閾値以下である場合に、燃料電池内の含水量を増加させることが可能となる。

　上記燃料電池システムにおいて、上記含水状態判定手段は、前記燃料電池の発電によって生成される水分量から前記燃料電池外に持ち出される水分量を減算した値を用いて前記燃料電池内の含水量を概算する含水量概算手段を、さらに備え、上記含水量判定手段は、前記燃料電池内の乾燥状態を判定する際に、前記含水量算出手段によって前記含水量が算出されたときには、当該算出された前記含水量が前記乾燥状態閾値以下であるか否かを判定し、前記含水量算出手段によって前記含水量が算出されていないときには、前記含水量概算手段により概算された前記含水量が前記乾燥状態閾値以下であるか否かを判定することとしてもよい。

　これにより、誤差が生じやすい概算含水量を、含水量算出手段によって算出された精度の高い含水量で補正することができるため、燃料電池の含水状態を精度良く判定することが可能となる。

　上記燃料電池システムにおいて、上記出力電流制御手段は、前記燃料電池が間欠運転をしている場合に、前記反応ガスの供給量を維持したまま、前記燃料電池の出力電流を一時的に増加させることとしてもよい。

　これにより、反応ガスの供給量や圧力等が変動しない状況下で、いわゆる電流挿引を行うことができるため、抵抗成分を精度良く算出することが可能となる。

　上記燃料電池システムにおいて、上記間欠運転時に、前記燃料電池の電圧が、当該燃料電池に含まれる触媒の還元領域に収まるように、前記燃料電池から電流を出力させる触媒活性化手段を、さらに備え、上記抵抗成分算出手段は、前記触媒活性化手段によって活性化された前記触媒の劣化状態に応じて、前記抵抗成分を補正することとしてもよい。

　これにより、間欠運転時に触媒を活性化してから触媒の劣化状態を判定することができるとともに、判明した劣化状態に応じて抵抗成分を補正することが可能となる。

　上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池からの電力を消費する電力消費装置と、前記出力電流制御手段によって前記出力電流が一時的に増加させられている間に、前記電力消費装置からの要求発電量が増大した場合に、当該要求発電量に応じて前記反応ガスの供給量を増加させるガス供給量制御手段と、をさらに備え、上記抵抗成分算出手段は、前記ガス供給量制御手段によって前記反応ガスの供給量が増加させられた場合に、前記抵抗成分を補正することとしてもよい。

　これにより、電流挿引時に要求発電量が増大した場合であっても、要求発電量に応じた反応ガスを供給しながら電流挿引を行うことができるため、反応ガスの供給遅れを生じさせることなく、要求負荷に対してスムーズに応答することが可能となる。

　上記燃料電池システムにおいて、上記含水状態判定手段によって、前記燃料電池内の含水状態が湿潤状態であると判定された場合に、前記燃料電池内の含水量を減少させる含水量減少処理を実行する含水量減少手段を、さらに備えることとしてもよい。

　これにより、燃料電池内が湿潤状態である場合に、燃料電池内の含水量を減少させることが可能となる。

　上記燃料電池システムにおいて、上記含水状態判定手段は、前記出力電流制御手段によって前記出力電流が一時的に増加させられている間に、前記単セルの電圧を検出するセル電圧検出部によって検出されたいずれかの電圧が、湿潤状態であることを判定する際の湿潤状態閾値以下に達したか否かを判定するセル電圧判定手段を、備え、上記含水量減少手段は、前記セル電圧判定手段によって、前記電圧が前記湿潤状態閾値以下に達したと判定された場合に、前記含水量減少処理を実行することとしてもよい。

　これにより、セル電圧が湿潤状態閾値以下であるか否かを判定することで燃料電池内が湿潤状態にあるか否かを検知することができ、湿潤状態にある場合には、燃料電池内の含水量を減少させることが可能となる。

　本発明によれば、燃料電池に供給される反応ガスの供給状態を変動させることなく、燃料電池の含水状態を判定することができる。

各実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。第１実施形態における制御部の機能構成を示すブロック図である。第１実施形態における含水状態判定処理を説明するためのフローチャートである。第１実施形態における含水状態判定処理を説明するためのフローチャートである。第２実施形態における制御部の機能構成を示すブロック図である。第２実施形態における含水状態判定処理を説明するためのフローチャートである。第３実施形態における制御部の機能構成を示すブロック図である。第３実施形態における含水状態判定処理を説明するためのフローチャートである。

　以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。各実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも適用することができ、さらに、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムにも適用することができる。

　[第１実施形態]
　まず、図１を参照して、第１実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

　同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷却水を循環供給する冷却系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７とを有する。

　燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有する。カソード極とアノード極を含む電極には、多孔質のカーボン素材をベースにした白金Ｐｔが触媒（電極触媒）として用いられている。さらに単セルは、カソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

　燃料電池２には、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサＶと、燃料電池の出力電流を検出する電流センサＡとが設けられている。燃料電池２の各単セルには、単セルの電圧を検出するセルモニタ（セル電圧検出部、不図示）が設けられている。

　酸化ガス配管系３は、フィルタを介して取り込まれる空気を圧縮し、圧縮した空気を酸化ガスとして送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給する酸化ガス供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出する酸化オフガス排出流路３３とを有する。

　コンプレッサ３１の出口側には、コンプレッサ３１から吐出される酸化ガスの流量を測定する流量センサＦが設けられている。酸化オフガス排出流路３３には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を調整する背圧弁３４が設けられている。酸化オフガス排出流路３３のうち、燃料電池２の出口側には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を検出する圧力センサＰが設けられている。

　燃料ガス配管系４は、高圧の燃料ガスを貯留した燃料供給源としての燃料タンク４０と、燃料タンク４０の燃料ガスを燃料電池２に供給するための燃料ガス供給流路４１と、燃料電池２から排出された燃料オフガスを燃料ガス供給流路４１に戻すための燃料循環流路４２とを有する。燃料ガス供給流路４１には、燃料ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧する調圧弁４３が設けられている。燃料循環流路４２には、燃料循環流路４２内の燃料オフガスを加圧して燃料ガス供給流路４１側へ送り出す燃料ポンプ４４が設けられている。

　冷却系５は、冷却水を冷却するラジエータ５１と、冷却水を燃料電池２およびラジエータ５１に循環供給する冷却水循環流路５２と、冷却水を冷却水循環流路５２に循環させる冷却水循環ポンプ５３とを有する。ラジエータ５１には、ラジエータファン５４が設けられている。冷却水循環流路５２のうち、燃料電池２の出口側には、冷却水の温度を検出する温度センサＴが設けられている。なお、温度センサＴを設ける位置は、燃料電池２の入口側であってもよい。

　電力系６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１と、二次電池であるバッテリ６２と、トラクションインバータ６３と、電力消費装置としてのトラクションモータ６４と、図示しない各種の補機インバータ等とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。このようなＤＣ／ＤＣコンバータ６１の機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。

　バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。

　制御部７は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を測定し、加速要求値（例えば、トラクションモータ６４等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ６４の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や燃料ポンプ４４、冷却水循環ポンプ５３のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

　制御部７は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリには、例えば、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭや、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭが含まれる。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサＶ、電流センサＡ、圧力センサＰ、温度センサＴおよび流量センサＦ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、燃料ポンプ４４および冷却水循環ポンプ５３等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

　ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの測定結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、各種制御処理を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。以下に、第１実施形態の制御部７によって行われる含水状態判定処理について説明する。なお、第１実施形態における含水状態判定処理は通常運転時に実行される。燃料電池の運転状態には、通常運転と間欠運転とがある。間欠運転は、バッテリ６２から供給される電力のみで燃料電池車両を走行させる運転モードであり、通常運転は、間欠運転以外の運転モードである。

　図２に示すように、制御部７は、機能的には、出力電流制御部７１（出力電流制御手段）と、含水状態判定部７２（含水状態判定手段）と、含水量増加処理部７３（含水量増加手段）と、含水量減少処理部７４（含水量減少手段）と、を有する。制御部７のメモリ７９には、上記各部が参照する各種のマップが格納されている。

　出力電流制御部７１は、燃料電池２への酸化ガスの供給量を維持したまま、燃料電池２の出力電流を一時的に増加させる。出力電流の増加は、燃料電池２の電圧を要求電圧よりも低下させ、燃料電池２から要求電流よりも大きな電流を強制的に取り出す（以下、「電流挿引」という。）ことで行う。なお、電流挿引時に維持するのは、酸化ガスの供給量に限定されない。燃料ガスの供給量を維持することとしてもよいし、酸化ガスと燃料ガスの双方の供給量を維持することとしてもよい。

　出力電流制御部７１は、酸化ガスの供給量や圧力等を変化させずに電流挿引を一時的に行う。通常、酸化ガスの供給量等を変化させずに電流挿引を行うと、酸化ガスが不足してストイキ比が１未満に低下し、発電を継続することができなくなってしまう。ところが、本願発明では、電流挿引を一時的に行うことで、電流挿引時に生ずるストイキ比の低下を回避している。

　これは、燃料電池２のスタック内、特に触媒には、酸素や水素が残留しているため、酸化ガスの供給量を維持したまま電流挿引を行ったとしても、残留酸素や残留水素が消滅するまでの間であれば、ストイキ比を維持した状態で電流挿引を行い得るという知見によるものである。つまり、スタック内の残留酸素や残留水素を有効に利用することで、酸化ガスの供給量を維持したまま電流挿引を行っても一時的にストイキ比を維持させることを可能としたものである。なお、ストイキ比とは、燃料電池に供給するガス量と、燃料電池で消費されるガス量との比を意味し、ストイキ比＝供給ガス量／消費ガス量で示される。

　電流挿引を行う時間は、残留酸素や残留水素の量に応じて設定することができる。電流挿引を行う上限時間としては、例えば、残留酸素や残留水素によって供給可能な電力量を消費するのに要する時間を設定することができる。残留酸素や残留水素によって供給可能な電力量は、例えば、燃料電池のスタックの設計、酸化ガスや燃料ガスの供給量や圧力等の諸条件、燃料電池内の含水量等によって決定することができる。残留酸素や残留水素によって供給可能な電力量が決定すれば、電流挿引に必要な電流と電流挿引の上限時間とを決定することができる。

　電流挿引を行う下限時間としては、例えば、燃料電池内の含水状態を判定する際の判定誤差が許容範囲内に収まり得るデータ数を取得するのに要する時間を設定することができる。電流挿引時に取得するデータは、燃料電池の出力電流値と出力電圧値となる。含水状態の判定は、取得した出力電圧値を出力電流値で除算することで求まる抵抗成分に基づいて判定される。

　また、燃料電池の電圧を低下させる速度（以下、「挿引速度」という。）が大きいほど出力電流が増加する関係にあることから、必要な電流に応じて挿引速度を決定することが好ましい。さらに、燃料電池の電圧が低すぎたり高すぎたりすると、触媒の還元反応が低下するため、残留酸素が減少してしまう。残留酸素が減少すると、燃料電池から取り出せる電流も減少してしまう。したがって、触媒の還元反応が低下しない範囲で電圧を変動させることが好ましい。

　燃料電池内の含水状態は、例えば、適正状態、乾燥（ドライアップ）状態、湿潤（フラッディング）状態に大別することができる。適正状態は、含水量が適正範囲内にある状態をいい、乾燥状態は、含水量が適正範囲よりも少量側にある状態をいい、湿潤状態は、含水量が適正範囲よりも多量側にある状態をいう。含水量の適正範囲は、燃料電池２の特性を満たすことができる範囲に設けられる。

　含水状態判定部７２は、出力電流制御部７１によって一時的に電流挿引されているときの燃料電池２の出力電圧を用いて、燃料電池２内の含水状態を判定する。含水状態判定部７２は、含水量概算部７２ａ（含水量概算手段）と、抵抗成分算出部７２ｂ（抵抗成分算出手段）と、含水量算出部７２ｃ（含水量算出手段）と、含水量判定部７２ｄ（含水量判定手段）と、セル電圧判定部７２ｅ（セル電圧判定手段）と、を有する。

　含水量概算部７２ａは、燃料電池２の発電によって生成される水分量から燃料電池２外に持ち出される水分量を減算した値（以下、「水収支」という。）を用いて燃料電池２内の含水量を概算する。具体的に、含水量概算部７２ａは、前回概算した含水量に今回算出した水収支を加算していくことで燃料電池２内の含水量を概算する。

　燃料電池外に持ち出される水分量は、燃料電池２のカソード出口のガスの湿度とガス量とから算出することができる。ガスの湿度は、冷却水の温度と発電量に基づいて算出することができる。したがって、冷却水の温度と発電量からガスの湿度を算出するためのマップを、予め実験などにより求め、メモリ７９に格納しておくこととしてもよい。

　水収支を算出する際のパラメータとしては、例えば、電流センサＡの検出値（燃料電池の電流値）、温度センサＴの検出値（冷却水の温度）、圧力センサＰの検出値（燃料電池のカソード圧力）、流量センサＦの検出値（酸化ガスの流量）、燃料電池のカソード湿度（不明時には１００％と仮定してもよい。）等を用いることができる。

　前回概算した含水量には、含水量概算部７２ａによって概算される含水量が格納されるが、後述する含水量算出部７２ｃによって含水量が算出されたときには、この算出された含水量を、前回概算した含水量に格納する。これにより、誤差が生じやすい概算含水量を、含水量算出部７２ｃによって算出される精度の高い含水量で補正することができるため、含水量の概算精度を向上させることができる。

　抵抗成分算出部７２ｂは、出力電流制御部７１によって一時的に電流挿引されているときの燃料電池２の出力電流値および出力電圧値を用いて燃料電池２内の抵抗成分を算出する。抵抗成分は、出力電圧値を出力電流値で除算することで求めることができる。なお、この抵抗成分は、出力電流値に対する出力電圧値の変化を、横軸に出力電流、縦軸に出力電圧で示される座標平面上に表した場合に、この座標平面上に描かれるグラフの傾きとして表わされる。

　含水量算出部７２ｃは、抵抗成分算出部７２ｂによって算出された抵抗成分を用いて燃料電池２内の含水量を算出する。含水量は、例えば、以下のようにして算出することができる。まず、抵抗成分と含水量との間には、抵抗成分が小さくなるほど含水量が増加し、抵抗成分が大きくなるほど含水量が減少するという相関関係があるため、このような相関関係を記憶したマップをメモリ７９に予め格納しておく。含水量算出部７２ｃは、抵抗成分算出部７２ｂにより算出された抵抗成分に基づいて上記マップを参照し、抵抗成分に対応する含水量をマップから抽出することで燃料電池内の含水量を算出する。

　含水量判定部７２ｄは、含水量概算部７２ａによって概算された含水量または含水量算出部７２ｃによって算出された含水量が、所定の乾燥状態閾値以下であるか否かを判定する。乾燥状態閾値と比較する含水量は、通常は含水量概算部７２ａによって概算された含水量となるが、含水量算出部７２ｃによって含水量が算出されたときには、この算出された含水量となる。このような含水量に基づいて判定を行うために、例えば、含水状態判定用含水量という判定用の項目を設け、この含水状態判定用含水量を使用して以下のように含水状態を判定することとしてもよい。

　具体的に説明すると、含水量概算部７２ａによって含水量が概算されるたびに、その概算された含水量を含水状態判定用含水量に格納する。そして、含水量算出部７２ｃによって含水量が算出されたときには、その算出された含水量を用いて含水状態判定用含水量の内容を更新する。これにより、誤差が生じやすい概算含水量を、含水量算出部７２ｃによって算出された精度の高い含水量で補正することができるため、燃料電池の含水状態を精度良く判定することが可能となる。

　上記乾燥状態閾値としては、燃料電池内が乾燥状態であると判定可能な上限含水量を設定することができる。これにより、含水量が乾燥状態閾値以下である場合には、燃料電池内の含水状態が乾燥状態であると判定することができる。

　セル電圧判定部７２ｅは、出力電流制御部７１によって一時的に電流挿引されている間にセルモニタによって検出されたセル電圧のうちの最低セル電圧が、所定の湿潤状態閾値以下に達したか否かを判定する。湿潤状態閾値としては、燃料電池内が湿潤状態であると判定可能な上限電圧値を設定することができる。これにより、セル電圧が湿潤状態閾値以下である場合には、燃料電池内の含水状態が湿潤状態であると判定することができる。なお、湿潤状態閾値と比較するのは最低セル電圧に限定されない。セルモニタによって検出されたセル電圧のうちのいずれかの電圧が、湿潤状態閾値以下に達したか否かを判定することができればよい。

　含水量増加処理部７３は、含水量判定部７２ｄによって上記含水量が乾燥状態閾値以下であると判定された場合に、燃料電池内の含水量を増加させる含水量増加処理を実行する。含水量増加処理としては、例えば以下に挙げる各処理が該当する。コンプレッサ３１の流量を低下させてカソードストイキを低下させるカソードストイキ低下処理。背圧弁３４を調整して燃料電池内の酸化ガスの圧力を上昇させる酸化ガス圧力上昇処理。ラジエータファン５４を駆動させる等して冷却水の温度を低下させる冷却水温低下処理。

　含水量減少処理部７４は、セル電圧判定部７２ｅによって最低セル電圧が湿潤状態閾値以下に達したと判定された場合に、燃料電池内の含水量を減少させる含水量減少処理を実行する。含水量減少処理としては、例えば以下に挙げる各処理が該当する。コンプレッサ３１の流量を増加させて酸化ガスの流量を増加させる酸化ガスブロー処理。背圧弁３４の開度を制御して燃料電池内の酸化ガスの圧力を変動させる酸化ガス圧力脈動処理。燃料ポンプ４４のモータの回転数を増大させる燃料ポンプ回転数増大処理。これにより、ドラビリに影響を与えることなく、フラッディングを判定して含水量の回復を図ることができる。

　次に、図３および図４に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池システムにおいて実行される含水状態判定処理について説明する。図３は、乾燥状態を判定する際のフローチャートであり、図４は、潤湿状態を判定する際のフローチャートである。これらの含水状態判定処理は、並行して実行可能な処理であり、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。

　まず、図３に示す乾燥状態を判定する際の含水状態判定処理について説明する。最初に、制御部７の含水量概算部７２ａは、水収支に基づいて燃料電池２内の含水量を概算し（ステップＳ１０１）、この概算した含水量を含水状態判定用含水量に設定する（ステップＳ１０２）。

　続いて、制御部７は、現時点が電流挿引のタイミングであるか否かを判定し（ステップＳ１０３）、電流挿引のタイミングではない場合（ステップＳ１０３；ＮＯ）には、後述するステップＳ１０８に処理を移行する。

　一方、現時点が電流挿引のタイミングである場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）に、制御部７の出力電流制御部７１は、燃料電池２への酸化ガスの供給量を維持したまま、一時的に電流挿引を行う（ステップＳ１０４）。

　続いて、制御部７の抵抗成分算出部７２ｂは、出力電流制御部７１によって一時的に電流挿引されているときの燃料電池２の出力電流値および出力電圧値を用いて燃料電池２内の抵抗成分を算出する（ステップＳ１０５）。

　続いて、制御部７の含水量算出部７２ｃは、抵抗成分算出部７２ｂにより算出された抵抗成分を用いて燃料電池２内の含水量を算出し（ステップＳ１０６）、この算出した含水量で含水状態判定用含水量を更新する（ステップＳ１０７）。

　続いて、制御部７の含水量判定部７２ｄは、含水状態判定用含水量が乾燥状態閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０８；ＮＯ）に、制御部７は、含水状態判定処理を終了する。

　一方、上記ステップＳ１０８の判定で、含水状態判定用含水量が乾燥状態閾値以下であると判定された場合（ステップＳ１０８；ＹＥＳ）に、制御部７の含水量増加処理部７３は、含水量増加処理を実行する（ステップＳ１０９）。

　次に、図４に示す湿潤状態を判定する際の含水状態判定処理について説明する。最初に、制御部７は、現時点が電流挿引のタイミングであるか否かを判定し（ステップＳ１５１）、電流挿引のタイミングではない場合（ステップＳ１５１；ＮＯ）には、含水状態判定処理を終了する。

　一方、現時点が電流挿引のタイミングである場合（ステップＳ１５１；ＹＥＳ）に、制御部７の出力電流制御部７１は、燃料電池２への酸化ガスの供給量を維持したまま、一時的に電流挿引を行う（ステップＳ１５２）。

　続いて、制御部７のセル電圧判定部７２ｅは、出力電流制御部７１によって一時的に電流挿引されている間にセルモニタによって検出された各セル電圧を取得し（ステップＳ１５３）、各セル電圧のうちの最低セル電圧が湿潤状態閾値以下に達したか否かを判定する（ステップＳ１５４）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１５４；ＮＯ）に、制御部７は、含水状態判定処理を終了する。

　一方、上記ステップＳ１５４の判定で、最低セル電圧が湿潤状態閾値以下であると判定された場合（ステップＳ１５４；ＹＥＳ）に、制御部７の含水量減少処理部７４は、含水量減少処理を実行する（ステップＳ１５５）。

　上述してきたように、第１実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２への酸化ガスの供給量を維持したまま、燃料電池内の含水状態を判定することが可能となる。また、燃料電池内の抵抗成分に基づいて算出した含水量が乾燥状態閾値以下であるか否かを判定することで燃料電池内が乾燥状態にあるか否かを検知することができ、乾燥状態にある場合には、燃料電池内の含水量を増加させることが可能となる。さらに、セル電圧が湿潤状態閾値以下であるか否かを判定することで燃料電池内が湿潤状態にあるか否かを検知することができ、湿潤状態にある場合には、燃料電池内の含水量を減少させることが可能となる。
[第２実施形態]

　本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態における燃料電池システムは、電流挿引時に要求発電量が増大した場合に、その増大した要求発電量に応じて酸化ガスの供給量を増加させる点で、酸化ガスの供給量を維持したまま電流挿引を行う第１実施形態における燃料電池システムと相違する。第２実施形態における燃料電池システムの構成が、上述した第１実施形態における燃料電池システムの構成と相違する点は、制御部７に新たな機能が追加されている点である。それ以外の構成については、第１実施形態における燃料電池システムの各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第１実施形態との相違点について説明する。

　図５に示すように、第２実施形態における制御部７は、第１実施形態における各部に加えて、酸化ガス供給量制御部７５（ガス供給量制御手段）をさらに有する。

　酸化ガス供給量制御部７５は、出力電流制御部７１によって一時的に電流挿引されているときに、トラクションモータ６４からの要求発電量が増大した場合に、この要求発電量に応じて酸化ガスの供給量を増加させる。これにより、電流挿引時に要求発電量が増大した場合であっても、要求発電量に応じた酸化ガスを供給しながら電流挿引を行うことができるため、酸化ガスの供給遅れを生じさせることなく、要求負荷に対してスムーズに応答することが可能となる。

　抵抗成分算出部７２ｂは、酸化ガス供給量制御部７５によって酸化ガスの供給量が増加させられた場合に、抵抗成分を補正する。これは、電流挿引中に酸化ガスの供給量が増加すると、残留酸素や残留水素の量等が変化し、抵抗成分が変動してしまうためである。抵抗成分の補正は、例えば、以下のように行うことができる。

　抵抗成分とカソード圧力との間には、カソード圧力が大きくなるほど抵抗成分が小さくなるという相関関係があるため、このような相関関係を記憶したマップをメモリ７９に予め格納しておく。最初に、抵抗成分算出部７２ｂは、出力電流制御部７１によって一時的に電流挿引されているときの燃料電池２の出力電流値および出力電圧値を用いて燃料電池２内の抵抗成分を算出する。続いて、抵抗成分算出部７２ｂは、酸化ガス供給量制御部７５によって酸化ガスの供給量が増加させられた場合に、酸化ガスの供給量が増加される前後のカソード圧力を、圧力センサＰから取得する。続いて、抵抗成分算出部７２ｂは、取得したカソード圧力に基づいて上記マップを参照し、それぞれのカソード圧力に対応する抵抗成分をマップから抽出する。続いて、抵抗成分算出部７２ｂは、抽出した抵抗成分を用いて抵抗成分の変動率を算出し、この変動率を用いて、上記電流挿引時に算出した抵抗成分を補正する。

　なお、抵抗成分とカソードストイキとの間には、カソードストイキが大きくなるほど抵抗成分が小さくなるという相関関係があり、抵抗成分と冷却水温との間には、冷却水温が高くなるほど抵抗成分が小さくなるという相関関係がある。したがって、上述した抵抗成分とカソード圧力との相関関係を記憶したマップに変えて、抵抗成分とカソードストイキとの相関関係を記憶したマップや、抵抗成分と冷却水温との相関関係を記憶したマップを用いて、上述した補正方法と同様の手順で抵抗成分を補正することとしてもよい。

　また、抵抗成分を補正する方法は、上記補正方法には限定されない。電流挿引中に酸化ガスの供給量を増加させたことによって変動するガス量や圧力、温度等の諸条件に応じた抵抗成分を求めることができれば、他の方法であってもよい。

　次に、図６に示すフローチャートを参照して、第２実施形態における燃料電池システムで実行される含水状態判定処理について説明する。図６は、乾燥状態を判定する際のフローチャートである。この含水状態判定処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。

　最初に、制御部７の含水量概算部７２ａは、水収支に基づいて燃料電池２内の含水量を概算し（ステップＳ２０１）、この概算した含水量を含水状態判定用含水量に設定する（ステップＳ２０２）。

　続いて、制御部７は、現時点が電流挿引のタイミングであるか否かを判定し（ステップＳ２０３）、電流挿引のタイミングではない場合（ステップＳ２０３；ＮＯ）には、後述するステップＳ２１３に処理を移行する。

　一方、現時点が電流挿引のタイミングである場合（ステップＳ２０３；ＹＥＳ）に、制御部７の出力電流制御部７１は、燃料電池２への酸化ガスの供給量を維持したまま、電流挿引を開始する（ステップＳ２０４）。

　続いて、制御部７の酸化ガス供給量制御部７５は、要求発電量が挿引開始時の要求発電量よりも大きくなったか否かを判定する（ステップＳ２０５）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２０５；ＮＯ）に、制御部７の抵抗成分算出部７２ｂは、出力電流制御部７１によって電流挿引されているときの燃料電池２の出力電流値および出力電圧値を用いて燃料電池２内の抵抗成分を算出する（ステップＳ２０６）。続いて、制御部７の含水量算出部７２ｃは、抵抗成分算出部７２ｂにより算出された抵抗成分を用いて燃料電池２内の含水量を算出し（ステップＳ２０７）、この算出した含水量で含水状態判定用含水量を更新する（ステップＳ２１２）。そして、処理を後述するステップＳ２１３に移行する。

　一方、上記ステップＳ２０５の判定で、要求発電量が挿引開始時の要求発電量よりも大きくなったと判定された場合（ステップＳ２０５；ＹＥＳ）に、制御部７の酸化ガス供給量制御部７５は、増大した要求発電量に応じて酸化ガスの供給量を増加させる（ステップＳ２０８）。

　続いて、制御部７の抵抗成分算出部７２ｂは、出力電流制御部７１によって電流挿引されているときの燃料電池２の出力電流値および出力電圧値を用いて燃料電池２内の抵抗成分を算出し（ステップＳ２０９）、この算出した抵抗成分を、上述したマップを参照する等して補正する（ステップＳ２１０）。

　続いて、制御部７の含水量算出部７２ｃは、補正後の抵抗成分を用いて燃料電池２内の含水量を算出し（ステップＳ２１１）、この算出した含水量で含水状態判定用含水量を更新する（ステップＳ２１２）。

　続いて、制御部７の含水量判定部７２ｄは、含水状態判定用含水量が乾燥状態閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２１３）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２１３；ＮＯ）に、制御部７は、含水状態判定処理を終了する。

　一方、上記ステップＳ２１３の判定で、含水状態判定用含水量が乾燥状態閾値以下であると判定された場合（ステップＳ２１３；ＹＥＳ）に、制御部７の含水量増加処理部７３は、含水量増加処理を実行する（ステップＳ２１４）。

　上述してきたように、第２実施形態の燃料電池システム１によれば、上述した第１実施形態の燃料電池システム１と同様の効果を奏するとともに、さらに、電流挿引時に要求発電量が増大した場合であっても、要求発電量に応じた酸化ガスを供給しながら電流挿引を行うことができるため、酸化ガスの供給遅れを生じさせることなく、要求負荷に対してスムーズに応答することが可能となる。
[第３実施形態]

　本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態における燃料電池システムは、燃料電池が間欠運転をしているときに含水状態判定処理を実行する点で、含水状態判定処理を通常運転時に実行する第１実施形態における燃料電池システムと相違する。第３実施形態における燃料電池システムの構成が、上述した第１実施形態における燃料電池システムの構成と相違する点は、第３実施形態における制御部７に新たな機能が追加されている点である。それ以外の構成については、第１実施形態における燃料電池システムの各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第１実施形態との相違点について説明する。

　ここで、燃料電池２の抵抗成分は、燃料電池２に含まれる触媒の劣化状態に応じて変動する。したがって、燃料電池内の含水状態を正確に把握するためには、触媒の劣化状態に応じた抵抗成分を算出することが好ましい。一方、触媒は使用により酸化する。触媒は、酸化するとその表面が酸化被膜で覆われ、有効面積が低減する。したがって、触媒の劣化状態を正確に把握するためには、触媒を活性化（還元）して触媒の有効面積を揃えてから劣化状態を判定することが好ましい。そこで、第３実施形態における燃料電池システムでは、間欠運転時に含水状態判定処理を実行するとともに、触媒を活性化して劣化状態の判定精度を向上させてから触媒の劣化状態を判定し、判明した劣化状態に応じて抵抗成分を補正することとした。

　図７に示すように、第３実施形態における制御部７は、第１実施形態における各部に加えて、触媒活性化部７６（触媒活性化手段）をさらに有する。

　触媒活性化部７６は、燃料電池２が間欠運転をしているときに触媒活性化処理を実行する。触媒活性化処理は、燃料電池２の出力電圧を、触媒に還元反応が生ずる領域（還元領域）にある電圧まで低下させることによって、触媒を還元して活性化させる処理である。

　出力電流制御部７１は、燃料電池２が間欠運転をしている場合に、酸化ガスの供給量を維持したまま、一時的に電流挿引を行う。間欠運転中は、酸化ガスの供給を停止する場合と、酸化ガスを一定量だけ供給する場合とがある。いずれの場合も、出力電流制御部７１は、その時点の酸化ガスの供給量（０または一定量）を維持したまま電流挿引を行う。

　抵抗成分算出部７２ｂは、触媒活性化部７６によって還元された触媒の劣化状態を判定する。触媒の劣化状態を判定する方法は、公知の方法を用いることができる。抵抗成分算出部７２ｂは、判明した触媒の劣化状態に応じて、抵抗成分を補正する。具体的には、触媒の劣化状態と抵抗成分との相関関係を実験等により求め、予めマップに記憶させておく。抵抗成分算出部７２ｂは、判明した触媒の劣化状態に対応する抵抗成分をマップから抽出する。抵抗成分算出部７２ｂは、抽出した抵抗成分を用いて、抵抗成分算出部７２ｂによって算出された抵抗成分を補正する。

　なお、抵抗成分を補正する方法は、触媒の劣化状態によって変動する電流値や電圧値等の諸条件に応じた抵抗成分を求めることができれば、どのような方法を用いてもよい。

　次に、図８に示すフローチャートを参照して、第３実施形態における燃料電池システムで実行される含水状態判定処理について説明する。図８は、乾燥状態を判定する際のフローチャートである。この含水状態判定処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。

　最初に、制御部７は、燃料電池２の運転状態が間欠運転であるか否かを判定し（ステップＳ３０１）、この判定がＮＯである場合（ステップＳ３０１；ＮＯ）に、制御部７は含水状態判定処理を終了する。

　一方、燃料電池２の運転状態が間欠運転であると判定された場合（ステップＳ３０１；ＹＥＳ）に、制御部７の含水量概算部７２ａは、水収支に基づいて燃料電池２内の含水量を概算し（ステップＳ３０２）、この概算した含水量を含水状態判定用含水量に設定する（ステップＳ３０３）。

　続いて、制御部７は、現時点が電流挿引のタイミングであるか否かを判定し（ステップＳ３０４）、電流挿引のタイミングではない場合（ステップＳ３０４；ＮＯ）には、後述するステップＳ３１１に処理を移行する。

　一方、現時点が電流挿引のタイミングである場合（ステップＳ３０４；ＹＥＳ）に、制御部７の触媒活性化部７６は、触媒活性化処理を実行する（ステップＳ３０５）。

　続いて、制御部７の出力電流制御部７１は、燃料電池２への酸化ガスの供給量を維持したまま、一時的に電流挿引を行う（ステップＳ３０６）。

　続いて、制御部７の抵抗成分算出部７２ｂは、出力電流制御部７１によって一時的に電流挿引されているときの燃料電池２の出力電流値および出力電圧値を用いて燃料電池２内の抵抗成分を算出し（ステップＳ３０７）、この算出した抵抗成分を、触媒の劣化状態に応じて補正する（ステップＳ３０８）。

　続いて、制御部７の含水量算出部７２ｃは、補正後の抵抗成分を用いて燃料電池２内の含水量を算出し（ステップＳ３０９）、この算出した含水量で含水状態判定用含水量を更新する（ステップＳ３１０）。

　続いて、制御部７の含水量判定部７２ｄは、含水状態判定用含水量が乾燥状態閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３１１）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ３１１；ＮＯ）に、制御部７は含水状態判定処理を終了する。

　一方、上記ステップＳ３１１の判定で、含水状態判定用含水量が乾燥状態閾値以下であると判定された場合（ステップＳ３１１；ＹＥＳ）に、制御部７の含水量増加処理部７３は、含水量増加処理を実行する（ステップＳ３１２）。

　上述してきたように、第３実施形態の燃料電池システム１によれば、上述した第１実施形態の燃料電池システム１と同様の効果を奏するとともに、さらに、酸化ガスの供給量や圧力等が変動しない間欠運転時に、電流挿引を行うことができるため、抵抗成分を精度良く算出することが可能となる。また、触媒を活性化してから触媒の劣化状態を判定することができるとともに、判明した劣化状態に応じて抵抗成分を補正することが可能となるため、燃料電池の含水状態を精度良く判定することができる。

　なお、上述した各実施形態における制御部の機能構成は適宜組み合わせることができる。

　本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に供給される反応ガスの供給状態を変動させることなく、燃料電池の含水状態を判定させることに適している。

　１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…燃料ガス配管系、５…冷却系、６…電力系、７…制御部、３１…コンプレッサ、３４…背圧弁、４０…燃料タンク、４４…燃料ポンプ、５１…ラジエータ、５３…冷却水循環ポンプ、５４…ラジエータファン、６１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６２…バッテリ、６４…トラクションモータ、７１…出力電流制御部、７２…含水状態判定部、７２ａ…含水量概算部、７２ｂ…抵抗成分算出部、７２ｃ…含水量算出部、７２ｄ…含水量判定部、７２ｅ…セル電圧判定部、７３…含水量増加処理部、７４…含水量減少処理部、７５…酸化ガス供給量制御部、７６…触媒活性化部、７９…メモリ、Ｖ…電圧センサ、Ａ…電流センサ、Ｐ…圧力センサ、Ｔ…温度センサ、Ｆ…流量センサ。

Claims

　複数の単セルが積層してなるセル積層体を有し、当該セル積層体に供給される反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
　前記燃料電池への前記反応ガスの供給量を維持したまま、前記燃料電池の出力電流を一時的に増加させる出力電流制御手段と、
　前記出力電流制御手段によって前記出力電流が一時的に増加させられているときの前記燃料電池の出力電圧を用いて、前記燃料電池内の含水状態を判定する含水状態判定手段と、
　を備えることを特徴とする燃料電池システム。
　前記含水状態判定手段によって、前記燃料電池内の含水状態が乾燥状態であると判定された場合に、前記燃料電池内の含水量を増加させる含水量増加処理を実行する含水量増加手段を、さらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
　前記含水状態判定手段は、
　前記出力電流制御手段によって前記出力電流が一時的に増加させられているときの前記燃料電池の出力電流値および出力電圧値から抵抗成分を算出する抵抗成分算出手段と、
　前記抵抗成分算出手段により算出された前記抵抗成分に対応する前記燃料電池内の含水量を算出する含水量算出手段と、
　前記含水量算出手段により算出された前記含水量が、乾燥状態であることを判定する際の乾燥状態閾値以下であるか否かを判定する含水量判定手段と、を備え、
　前記含水量増加手段は、前記含水量判定手段によって、前記含水量が前記乾燥状態閾値以下であると判定された場合に、前記含水量増加処理を実行することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
　前記含水状態判定手段は、前記燃料電池の発電によって生成される水分量から前記燃料電池外に持ち出される水分量を減算した値を用いて前記燃料電池内の含水量を概算する含水量概算手段を、さらに備え、
　前記含水量判定手段は、前記燃料電池内の乾燥状態を判定する際に、前記含水量算出手段によって前記含水量が算出されたときには、当該算出された前記含水量が前記乾燥状態閾値以下であるか否かを判定し、前記含水量算出手段によって前記含水量が算出されていないときには、前記含水量概算手段により概算された前記含水量が前記乾燥状態閾値以下であるか否かを判定することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
　前記出力電流制御手段は、前記燃料電池が間欠運転をしている場合に、前記反応ガスの供給量を維持したまま、前記燃料電池の出力電流を一時的に増加させることを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池システム。
　前記間欠運転時に、前記燃料電池の電圧が、当該燃料電池に含まれる触媒の還元領域に収まるように、前記燃料電池から電流を出力させる触媒活性化手段を、さらに備え、
　前記抵抗成分算出手段は、前記触媒活性化手段によって活性化された前記触媒の劣化状態に応じて、前記抵抗成分を補正することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
　前記燃料電池からの電力を消費する電力消費装置と、
　前記出力電流制御手段によって前記出力電流が一時的に増加させられている間に、前記電力消費装置からの要求発電量が増大した場合に、当該要求発電量に応じて前記反応ガスの供給量を増加させるガス供給量制御手段と、をさらに備え、
　前記抵抗成分算出手段は、前記ガス供給量制御手段によって前記反応ガスの供給量が増加させられた場合に、前記抵抗成分を補正することを特徴とする請求項３～６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
　前記含水状態判定手段によって、前記燃料電池内の含水状態が湿潤状態であると判定された場合に、前記燃料電池内の含水量を減少させる含水量減少処理を実行する含水量減少手段を、さらに備えることを特徴とする請求項１～７のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
　前記含水状態判定手段は、前記出力電流制御手段によって前記出力電流が一時的に増加させられている間に、前記単セルの電圧を検出するセル電圧検出部によって検出されたいずれかの電圧が、湿潤状態であることを判定する際の湿潤状態閾値以下に達したか否かを判定するセル電圧判定手段を、備え、
　前記含水量減少手段は、前記セル電圧判定手段によって、前記電圧が前記湿潤状態閾値以下に達したと判定された場合に、前記含水量減少処理を実行することを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。