(57)【要約】【課題】インピーダンスの計測値を用いて燃料電池に生じている不良を的確に検出できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池監視装置は、燃料電池セルごとのインピーダンスと、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスと、を計測するインピーダンス計測部と、前記燃料電池セルごとのインピーダンスの計測結果から求めたガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量推定値を算出し、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスの計測結果から求めたガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量を表す含水量推定値を算出する含水量推定部と、前記含水量基準推定値に対する前記含水量推定値の大きさを判定することにより、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生、または、前記燃料電池セルに対する反応ガスの分配不良の発生、のうちの少なくとも一方を検出する判定部と、を備える。【選択図】図１
2020087764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置であって、
前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとの電圧と、前記燃料電池スタック全体の電圧と、前記燃料電池スタックの出力電流と、を検出し、前記燃料電池セルごとのインピーダンスと、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスと、を計測するインピーダンス計測部と、
前記燃料電池セルごとのインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有する前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出し、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池スタックの含水量に相関性を有する前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量を表す含水量基準推定値を算出する含水量推定部と、
前記含水量基準推定値に対する前記含水量推定値の大きさを判定することにより、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生、または、前記燃料電池セルに対する反応ガスの分配不良の発生、のうちの少なくとも一方を検出する判定部と、
を備える、燃料電池監視装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池監視装置であって、
前記判定部は、前記含水量推定値が、前記含水量基準推定値に対して、予め決められた許容範囲を越えて低くなっていることを含む判定条件が成立したときに、判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定する、燃料電池監視装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池監視装置であって、
前記判定部は、負電圧であることが検出され、かつ、前記含水量推定値が前記含水量基準推定値に対して前記許容範囲を越えて低くなっていることを含む前記判定条件が成立したときに、判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定する、燃料電池監視装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池監視装置であって、
前記判定部は、前記含水量推定値が前記含水量基準推定値より大きいときに、判定対象である前記燃料電池セルに対する反応ガスの供給不良が発生していると判定する、燃料電池監視装置。
【請求項５】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置であって、
前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとの電圧と、前記燃料電池スタックの出力電流と、を検出し、前記燃料電池セルごとのインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、
前記燃料電池セルごとのインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有する前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出する含水量推定部と、
現在の前記燃料電池スタック全体の含水量に応じて変動する基準値に対する前記含水量推定値の大きさを判定することにより、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生を検出する判定部と、
を備える、燃料電池監視装置。
【請求項６】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置であって、
前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとのインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、
前記燃料電池セルごとの前記インピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有するガス拡散抵抗を求め、前記ガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出する含水量推定部と、
判定対象となる複数の前記燃料電池セルについて、予め決められた順で、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生を判定する判定部と、
を備え、
前記判定部は、
先に判定され、前記触媒の劣化が検出されなかった前記燃料電池セルの前記含水量推定値を基準値として用い、
前記基準値に対して、今回の判定対象である前記燃料電池セルの前記含水量推定値が、予め決められた許容範囲を超えて低くなっていることを含む判定条件が成立したときに、今回の判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定する、燃料電池監視装置。
【請求項７】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を判定する方法であって、
発電中の前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとの電圧と、前記燃料電池スタックの出力電流と、を検出し、前記燃料電池セルごとのインピーダンスと、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスと、を計測する工程と、
前記燃料電池セルごとのインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有する前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出する工程と、
前記燃料電池スタック全体のインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池スタックの含水量に相関性を有する前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を用いて算出された前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量基準推定値を算出する工程と、
前記含水量基準推定値に対する前記含水量推定値の大きさを判定することにより、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生、または、前記燃料電池セルに対する反応ガスの分配不良の発生、のうちの少なくとも一方を検出する工程と、
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池監視装置および燃料電池の状態を判定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、交流インピーダンス法によって、燃料電池のインピーダンスを計測し、その計測結果を用いて、燃料電池の不良を検出する燃料電池監視装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１８６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池のインピーダンスは、種々の要因に対して相関性を有するパラメータである。そのため、単にインピーダンスの計測値と予め定められた閾値とを比較するのみでは、燃料電池に生じている不具合の要因を的確に特定できない場合がある。このように、インピーダンスの計測値を用いて燃料電池に生じている不良を検出する技術には依然として改良の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の技術は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）第１の形態は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置として提供される。この形態の燃料電池監視装置は、前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとの電圧と、前記燃料電池スタック全体の電圧と、前記燃料電池スタックの出力電流と、を検出し、前記燃料電池セルごとのインピーダンスと、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスと、を計測するインピーダンス計測部と、前記燃料電池セルごとのインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有する前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出し、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池スタックの含水量に相関性を有する前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量を表す含水量基準推定値を算出する含水量推定部と、前記含水量基準推定値に対する前記含水量推定値の大きさを判定することにより、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生、または、前記燃料電池セルに対する反応ガスの分配不良の発生、のうちの少なくとも一方を検出する判定部と、を備える。
この形態の燃料電池監視装置によれば、インピーダンスの計測結果から算出されるガス拡散抵抗のうちで燃料電池セルや燃料電池スタックの含水量に対して高い相関性を有するものから含水量推定値および含水量基準推定値が導出される。含水量推定値は、燃料電池セルにおける触媒劣化、または、反応ガスの分配不良によって、含水量基準推定値に対する大きさが変化する特性を有している。この形態の燃料電池監視装置によれば、そうした含水量推定値の特性に基づいて、燃料電池に生じている不具合の要因を燃料電池セルにおける触媒劣化、または、反応ガスの分配不良の少なくとも一方に特定して、その発生を的確に検出できる。また、含水量基準推定値は、例えば燃料電池スタック全体の経年変化など、燃料電池スタック全体の現在の状態に応じて変化する値である。この形態の燃料電池監視装置では、燃料電池セルの状態の判定に、そうした燃料電池スタック全体の現在の状態に応じて変化する基準値が用いられているため、燃料電池スタック全体の状態変化に起因する判定精度の変動を抑制することができる。
（２）上記形態の燃料電池監視装置において、前記判定部は、前記含水量推定値が、前記含水量基準推定値に対して、予め決められた許容範囲を越えて低くなっていることを含む判定条件が成立したときに、判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定してよい。
この形態の燃料電池監視装置によれば、燃料電池セルにおける触媒の劣化の発生を的確に検出することができる。
（３）上記形態の燃料電池監視装置において、前記判定部は、負電圧であることが検出され、かつ、前記含水量推定値が前記含水量基準推定値に対して前記許容範囲を越えて低くなっていることを含む前記判定条件が成立したときに、判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定してよい。
この形態の燃料電池監視装置によれば、電圧による判定条件が加わるため、燃料電池セルにおける触媒の劣化の発生をより精度よく検出することができる。
（４）上記形態の燃料電池監視装置において、前記判定部は、前記含水量推定値が前記含水量基準推定値より大きいときに、判定対象である前記燃料電池セルに対する反応ガスの供給不良が発生していると判定してよい。
この形態の燃料電池監視装置によれば、燃料電池セルにおける反応ガスの供給不良の発生を的確に検出することができる。
（５）第２の形態は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置として提供される。この形態の燃料電池監視装置は、前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとの電圧と、前記燃料電池スタックの出力電流と、を検出し、前記燃料電池セルごとのインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、前記燃料電池セルごとのインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有する前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出する含水量推定部と、現在の前記燃料電池スタック全体の含水量に応じて変動する基準値に対する前記含水量推定値の大きさを判定することにより、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生を検出する判定部と、を備える。
この形態の燃料電池監視装置によれば、インピーダンスの計測結果から導出されるガス拡散抵抗を用いて算出される含水量推定値の特性を利用して、触媒劣化の発生を的確に検出することができる。また、触媒劣化の判定に用いられる基準値は、例えば、燃料電池スタック全体の経年変化など、燃料電池スタック全体の現在の発電性能に応じて変化するため、燃料電池セルの中で特に触媒劣化が進行しているものを的確に検出することができる。
（６）第３の形態は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置として提供される。この形態の燃料電池監視装置は、前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとのインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、前記燃料電池セルごとの前記インピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有するガス拡散抵抗を求め、前記ガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出する含水量推定部と、
判定対象となる複数の前記燃料電池セルについて、予め決められた順で、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生を判定する判定部と、を備え、前記判定部は、先に判定され、前記触媒の劣化が検出されなかった前記燃料電池セルの前記含水量推定値を基準値として用い、前記基準値に対して、今回の判定対象である前記燃料電池セルの前記含水量推定値が、予め決められた許容範囲を超えて低くなっていることを含む判定条件が成立したときに、今回の判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定する。
この形態の燃料電池監視装置によれば、触媒劣化が発生していないとされた他の燃料電池セルにおける含水量推定値を基準値とした判定がおこなわれる。そのため、現在の燃料電池スタック全体の正常な含水量推定値の傾向を判定結果に反映させることができ、燃料電池スタック全体の状態変化に起因する判定精度の変動を抑制することができる。
本開示の技術は、燃料電池監視装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックの状態を判定する方法や、燃料電池における触媒劣化の検出方法、燃料電池スタックにおける反応ガスの分配不良の検出方法、燃料電池監視装置の制御方法および制御装置、燃料電池監視装置を備える燃料電池システムおよびその制御方法、前述のいずれかの方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態の燃料電池監視装置を備える燃料電池システムを示す概略図。
【図２】燃料電池セルの構成を示す概略断面図。
【図３】第１実施形態の監視処理のフローを示す説明図。
【図４】含水量推定値算出処理の工程を示す説明図。
【図５】プロトン移動抵抗およびガス反応抵抗を説明するための説明図。
【図６】ガス拡散抵抗と含水量推定値との相関関係を表すマップの一例を示す説明図。
【図７】第１実施形態の判定処理のフローを示す説明図。
【図８】触媒劣化の発生の有無による含水量推定値の変化を示す説明図。
【図９】ガス拡散抵抗と燃料電池セルの実際の含水量との関係を示す説明図。
【図１０】第２実施形態の監視処理のフローを示す説明図。
【図１１】第２実施形態の判定処理のフローを示す説明図。
【図１２】第２実施形態における判定処理の判定結果の一例を示す説明図。
【図１３】第３実施形態の判定処理のフローを示す説明図。
【図１４】第４実施形態の監視処理のフローを示す説明図。
【図１５】第４実施形態の判定処理のフローを示す説明図。
【図１６】反応ガスのストイキ比の変化に対する含水量推定値の精度の変化を示す説明図。
【図１７】ガス拡散抵抗と燃料電池セルの実際の含水量との関係を示す説明図。
【図１８Ａ】比較例としてのセル電圧と反応ガスのストイキ比の時間変化の一例を示す説明図。
【図１８Ｂ】第４実施形態の監視処理を実行したときのセル電圧と反応ガスのストイキ比の時間変化の一例を示す説明図。
【図１９】第５実施形態の監視処理のフローを示す説明図。
【図２０】第５実施形態の判定処理のフローを示す説明図。
【図２１】第６実施形態の監視処理のフローを示す説明図。
【図２２】第６実施形態の判定処理のフローを示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
１．第１実施形態：
１−１．燃料電池システム概要：
図１は、第１実施形態における燃料電池監視装置１０を備える燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック２０を備え、外部負荷２００からの要求に応じた電力を燃料電池スタック２０に発電させる。燃料電池監視装置１０は、発電中の燃料電池スタック２０を監視し、燃料電池スタック２０に生じている不具合を検出する。以下では、燃料電池監視装置１０以外の燃料電池システム１００の構成を説明した後に、燃料電池監視装置１０について説明する。
【０００８】
第１実施形態では、燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両の走行に用いられる電力や、燃料電池車両の補機類や電装品において消費される電力を出力する。燃料電池システム１００が出力する電力は、外部給電に用いられてもよい。なお、他の実施形態では、燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載されていなくてもよい。燃料電池システム１００は、例えば、船舶などの移動体に搭載されてもよく、建物など施設内に固定的に設置されてもよい。
【０００９】
１−２．燃料電池スタックの構成：
燃料電池スタック２０は、固体高分子形燃料電池であり、燃料ガスである水素と、酸化剤ガスである酸素の電気化学反応によって発電する。燃料電池スタック２０は、複数の燃料電池セル２１が積層されたスタック構造を有する。燃料電池セル２１は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素である。燃料電池スタック２０には、各燃料電池セル２１に接続する反応ガスおよび冷媒のための分岐流路である図示しないマニホールドが設けられている。
【００１０】
図２は、燃料電池セル２１の構成を示す概略断面図である。燃料電池セル２１は、発電体である膜電極接合体５０を備える。膜電極接合体５０は、電解質膜５１と、２つの電極５２，５３と、を備える。電解質膜５１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質樹脂の薄膜である。電解質膜５１は、例えば、フッ素系のイオン交換樹脂によって構成される。第１電極５２と第２電極５３とはそれぞれ、電解質膜５１の両面に配置されている。第１電極５２は、燃料ガスが供給されるアノードであり、第２電極５３は、酸化剤ガスが供給されるカソードである。各電極５２，５３は、電解質膜５１の表面に配置された触媒層５４と、触媒層５４の上に積層されたガス拡散層５５と、を備える。触媒層５４は、発電反応を促進するための触媒と、触媒を担持する導電性粒子と、を含む。触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用できる。また、導電性粒子としては、例えば、カーボン粒子を採用できる。ガス拡散層５５は、ガス拡散性および導電性を有する多孔質基材によって構成される。ガス拡散層５５は、例えば、カーボンペーパによって構成することができる。
【００１１】
燃料電池セル２１は、さらに、膜電極接合体５０を挟む２枚のセパレータ６１，６２を備える。第１セパレータ６１は、第１電極５２に面し、第２セパレータ６２は、第２電極５３に面する。各セパレータ６１，６２は、例えば、金属板など、導電性およびガス不透過性を有する板状部材によって構成される。各セパレータ６１，６２の膜電極接合体５０側の面には、反応ガスを誘導するガス流路６３を構成する溝が形成されている。各燃料電池セル２１のガス流路６３は、図示しないマニホールドに接続されている。第１セパレータ６１のガス流路６３には燃料ガスが流れ、第２セパレータ６２のガス流路６３には酸化剤ガスが流れる。各セパレータ６１，６２のガス流路６３が設けられた面とは反対側の面には、冷媒が流れる冷媒流路６４が設けられている。
【００１２】
図１を参照する。燃料電池スタック２０は、燃料電池セル２１の積層方向における両端にそれぞれ、エンドプレート２２を備える。各エンドプレート２２は、例えば、金属板によって構成される。燃料電池セル２１の積層体は、エンドプレート２２を介して、図示しない締結部材によって締結される。また、エンドプレート２２には、後述する反応ガスの流通のための配管３２，３６，４１，４４が接続される接続部が設けられている。
【００１３】
各エンドプレート２２と、燃料電池セル２１の積層体との間には、集電板２３と絶縁板２４とが配置されている。集電板２３は、導電性を有する板状部材によって構成される。集電板２３は、燃料電池セル２１の積層体に接触しており、各燃料電池セル２１と電気的に導通する。集電板２３は、ターミナルとして機能する。燃料電池スタック２０は、集電板２３を介して、モーターや補機類、電装品を含む外部負荷２００に電気的に接続されている。絶縁板２４は、集電板２３とエンドプレート２２との間に配置されて両者を電気的に絶縁する。
【００１４】
１−３．燃料電池スタックの発電のための構成部：
燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池スタック２０の運転を制御するシステム制御部２５と、燃料電池スタック２０に対する反応ガスの供給および排出をおこなう燃料ガス給排部３０および酸化剤ガス給排部４０と、を備える。燃料電池システム１００は、その他に、燃料電池スタック２０の冷媒流路６４に冷媒を供給する冷媒供給部や、出力電流を制御するためのコンバータ、二次電池などを備えている。ただし、本明細書では、便宜上、その図示および詳細な説明は省略する。
【００１５】
システム制御部２５は、少なくとも１つのプロセッサと主記憶装置とを備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）によって構成される。システム制御部２５は、プロセッサが主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令を実行することによって燃料電池スタック２０の発電を制御するための種々の機能を発揮する。システム制御部２５の機能の少なくとも一部は、ハードウェア回路によって構成されてもよい。システム制御部２５は、燃料電池監視装置１０の上位の制御部としても機能する。システム制御部２５は、燃料電池スタック２０の出力電流や、スタック電圧Ｖｓ、セル電圧Ｖｃ、含水量推定値Ｗｃなど、燃料電池監視装置１０において計測される後述のパラメータを燃料電池スタック２０の運転制御のために用いてもよい。
【００１６】
燃料ガス給排部３０は、燃料ガスの供給系として、高圧タンク３１と、供給配管３２と、開閉弁３３と、レギュレータ３４と、インジェクタ３５と、を備える。高圧タンク３１は、高圧の燃料ガスを貯蔵する。供給配管３２は、高圧タンク３１と、エンドプレート２２に設けられた燃料電池スタック２０のアノード側のマニホールド入口と、を接続し、高圧タンク３１内の燃料ガスを燃料電池スタック２０に導く。開閉弁３３とレギュレータ３４とインジェクタ３５とは、供給配管３２に設けられている。システム制御部２５は、開閉弁３３の開閉を制御して、高圧タンク３１から供給配管３２への燃料ガスの流入を制御する。レギュレータ３４は、インジェクタ３５の上流側の圧力を調整する。インジェクタ３５は、システム制御部２５の制御下において、燃料ガスを燃料電池スタック２０のアノード側に向けて噴射する。
【００１７】
燃料ガス給排部３０は、さらに、燃料ガスの排出・循環系として、循環配管３６と、循環ポンプ３７と、排水配管３８と、排水弁３９と、を備える。循環配管３６は、エンドプレート２２に設けられた燃料電池スタック２０のアノード側のマニホールド出口に接続されている。循環配管３６には、循環ポンプ３７が設けられている。燃料電池スタック２０から排出されるアノード排ガスは、循環ポンプ３７によって、循環配管３６を通じて供給配管３２へと送り出される。排水配管３８は、図示しない気液分離器を介して、循環配管３６に接続されている。排水配管３８は、気液分離器においてアノード排ガスから分離され、貯留されている液体成分である排水を燃料電池車両の外部に排出する。排水弁３９は排水配管３８に設けられている。システム制御部２５は、排水弁３９の開閉を制御して、排水配管３８からの排水の排出を制御する。
【００１８】
酸化剤ガス給排部４０は、酸化剤ガスの供給系として、供給配管４１と、コンプレッサ４３と、を備える。供給配管４１の一端は、エンドプレート２２に設けられた燃料電池スタック２０のカソード側のマニホールド入口に接続されており、他端は、図示しない燃料電池車両のエアインテークに接続されている。コンプレッサ４３は、供給配管４１に設けられており、システム制御部２５の制御下において、酸化剤ガスである酸素を含有する空気を取り込んで圧縮し、燃料電池スタック２０に供給する。
【００１９】
酸化剤ガス給排部４０は、さらに、酸化剤ガスの排出系として、排出配管４４と、背圧弁４５と、を備える。排出配管４４は、エンドプレート２２に設けられた燃料電池スタック２０のカソード側のマニホールド出口に接続されており、燃料電池スタック２０から排出されるカソード排ガスを燃料電池車両の外部に導く。背圧弁４５は、排出配管４４に設けられている。システム制御部２５は、背圧弁４５の開度を制御して、燃料電池スタック２０の背圧を調節する。
【００２０】
１−４．燃料電池監視装置の構成：
燃料電池監視装置１０は、燃料電池監視装置１０全体を制御して燃料電池スタック２０の状態を監視する監視処理を実行する監視装置制御部１１を備える。監視装置制御部１１は、少なくとも１つのプロセッサと、主記憶装置と、を備えるコンピュータによって構成される。監視装置制御部１１は、システム制御部２５を構成するＥＣＵの一部として構成されてもよい。監視装置制御部１１は、プロセッサが主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令を実行することによって監視処理を実行するための種々の機能を発揮する。
【００２１】
監視装置制御部１１は、監視処理を実行するための機能部として、インピーダンス計測部１１ｉと、含水量推定部１１ｗと、判定部１１ｊと、を有する。インピーダンス計測部１１ｉは、交流インピーダンス法により、燃料電池スタック２０のインピーダンスを計測する。含水量推定部１１ｗは、インピーダンス計測部１１ｉの計測結果から後述するガス拡散抵抗を算出する拡散抵抗算出部１１ｒを有する。含水量推定部１１ｗは、拡散抵抗算出部１１ｒにおいて算出されたガス拡散抵抗を用いて、燃料電池セル２１に含まれる水分量の推定値である含水量推定値を算出する。判定部１１ｊは、含水量推定部１１ｗによって算出された含水量推定値を用いた判定により、燃料電池セル２１の不具合の発生を検出する。第１実施形態では、判定部１１ｊは、各燃料電池セル２１における触媒の劣化の発生を検出する。含水量推定値の算出方法や、含水量推定値を用いた判定方法の詳細については後述する。
【００２２】
燃料電池監視装置１０は、さらに、燃料電池スタック２０の状態を監視するためのハードウェアとして、信号重畳部１２と、電流計測部１３と、スタック電圧計測部１４と、セル電圧計測部１５と、を備える。信号重畳部１２は、交流電源を備え、監視装置制御部１１のインピーダンス計測部１１ｉの制御下において、燃料電池スタック２０の出力電流に交流信号を重畳する。電流計測部１３は、燃料電池スタック２０の出力電流を計測し、監視装置制御部１１に出力する。スタック電圧計測部１４は、燃料電池スタック２０全体の電圧であるスタック電圧を計測して、監視装置制御部１１に出力する。セル電圧計測部１５は、各燃料電池セル２１の電圧であるセル電圧を計測して、監視装置制御部１１に出力する。
【００２３】
１−５．監視処理：
図３は、第１実施形態における監視処理のフローを示す説明図である。燃料電池監視装置１０は、燃料電池スタック２０の発電中に、予め決められた周期で、この監視処理を実行する。第１実施形態の監視処理では、予め定められた判定対象の燃料電池セル２１について、触媒劣化の発生の有無が判定される。ここでの「触媒劣化」とは、例えば、触媒層５４に含まれるカーボンの酸化に起因する触媒の離脱や、触媒の凝集による反応面積の減少など、触媒層５４において不可逆に進行する劣化を意味する。こうした触媒劣化は、燃料電池セル２１において燃料ガスの供給量が不足した状態で発電が継続されたときに生じやすい。
【００２４】
第１実施形態の監視処理において判定対象となるのは、燃料電池スタック２０を構成する全ての燃料電池セル２１である。他の実施形態では、燃料電池スタック２０を構成するＮ個の燃料電池セル２１のうち、任意のｎ個が判定対象として予め選択されていてもよい。Ｎ，ｎは、Ｎ＞ｎを満たす任意の自然数である。なお、一部の燃料電池セル２１のみを判定対象とする場合には、少なくとも、燃料電池スタック２０の積層方向における端部に配置されている燃料電池セル２１が判定対象に含まれていることが望ましい。触媒劣化は、そうした端部に配置された燃料電池セル２１において発生しやすい傾向にあるためである。
【００２５】
ステップＳ１０では、インピーダンス計測部１１ｉは、燃料電池スタック２０に交流信号を印加する。第１実施形態では、インピーダンス計測部１１ｉは、信号重畳部１２によって、燃料電池スタック２０の出力電流に、周波数が異なる２つの交流信号を重畳させる。インピーダンス計測部１１ｉは、周波数が異なる２つの交流信号を同時に重畳させてもよいし、交互に重畳させてもよい。インピーダンス計測部１１ｉは、燃料電池スタック２０が出力している電流の大きさに応じた正弦波交流の信号を重畳させる。重畳される交流の実効値は、例えば、燃料電池スタック２０の出力電流の５〜１０％程度としてよい。信号重畳部１２が重畳する２つの交流信号の周波数のうち、高い方の周波数を「高周波数ｆＨ」と呼び、低い方の周波数を「低周波数ｆＬ」と呼ぶ。高周波数ｆＨは、例えば０．８〜１．２ｋＨｚであり、低周波数は、例えば１８〜２２Ｈｚである。ここでの高周波数ｆＨおよび低周波数ｆＬは、相対的な周波数の高低を区別するための名称であり、一般的な意味での「低周波」や「高周波」とは異なる概念である。
【００２６】
ステップＳ２０では、インピーダンス計測部１１ｉは、信号重畳部１２が交流信号を重畳させている間に、スタック電圧計測部１４によって判定対象の燃料電池スタック２０の出力電圧波形を計測し、セル電圧計測部１５によって燃料電池セル２１ごとの出力電圧波形を計測する。また、インピーダンス計測部１１ｉは、電流計測部１３によって燃料電池スタック２０の出力電流波形を計測する。これによって取得されるセル電圧Ｖｃ、スタック電圧Ｖｓ、出力電流Isは、交流電流が重畳されたことによって発生する応答電流の電圧値・電流値である。
【００２７】
インピーダンス計測部１１ｉは、セル電圧Ｖｃと出力電流Isとを用いて、判定対象の燃料電池セル２１ごとのインピーダンスを算出する。また、インピーダンス計測部１１ｉは、スタック電圧Ｖｓと出力電流Isとを用いて、燃料電池スタック２０全体のインピーダンスを算出する。インピーダンス計測部１１ｉは、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）法によって、高周波数ｆＨおよび低周波数ｆＬのそれぞれについて、判定対象の燃料電池セル２１および燃料電池スタック２０全体のインピーダンスの絶対値及び位相角を算出する。
【００２８】
図４〜図６を参照して、ステップＳ３０での含水量推定値算出処理を説明する。ステップＳ３０では、含水量推定部１１ｗは、ステップＳ２０において判定対象の燃料電池セル２１ごとに算出されたインピーダンスを用いて、判定対象の燃料電池セル２１ごとの含水量推定値Ｗｃを算出する。
【００２９】
図４は、含水量推定値算出処理の工程を示す説明図である。ステップＳ３１では、まず、含水量推定部１１ｗの拡散抵抗算出部１１ｒが、各燃料電池セル２１のプロトン移動抵抗Ｒｍｅｍおよびガス反応抵抗Ｒｃｔを算出する。
【００３０】
図５を参照して、プロトン移動抵抗Ｒｍｅｍおよびガス反応抵抗Ｒｃｔを説明する。図５には、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コールコールプロット図が図示されている。プロトン移動抵抗Ｒｍｅｍは、高周波数ｆＨにおけるインピーダンスの実軸の値に相当し、ガス反応抵抗Ｒｃｔは、円弧状のインピーダンスの軌跡と実軸とが交わる交点での実軸の値から高周波数ｆＨにおけるインピーダンスの実軸の値を減じた値に相当する。
【００３１】
プロトン移動抵抗Ｒｍｅｍ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。プロトン移動抵抗Ｒｍｅｍは、高周波数ｆＨの交流に対して取得されたインピーダンスを用いて算出される。具体的には、プロトン移動抵抗Ｒｍｅｍは、高周波数ｆＨ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に適用することによって算出される。
Ｒｍｅｍ＝Ｒ１・ｃｏｓθ１  …（Ｆ１）
【００３２】
ガス反応抵抗Ｒｃｔは、活性化過電圧および濃度過電圧を抵抗換算した成分である。ガス反応抵抗Ｒｃｔは、低周波数ｆＬの交流に対して取得されたインピーダンスと、プロトン移動抵抗Ｒｍｅｍと、を用いて、以下のように算出される。まず、低周波数ｆＬ、高周波数ｆＨそれぞれにおけるインピーダンスの絶対値Ｒ１，Ｒ２、および、位相θ２を、以下の数式Ｆ２，Ｆ３に適用して、低周波数ｆＬにおけるインピーダンス中のガス反応抵抗Ｒｃｔの特性を示す成分φ，Ａを算出する。
φ＝ｔａｎ−１［（Ｒ２・ｓｉｎθ２）／｛（Ｒ２・ｃｏｓθ２）−Ｒｍｅｍ｝］  …（Ｆ２）
Ａ＝（Ｒ２・ｓｉｎθ２）／ｓｉｎφ  …（Ｆ３）
【００３３】
次に、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に適用することによって、ガス反応抵抗Ｒｃｔが算出される。
Ｒｃｔ＝Ａ／ｃｏｓφ  …（Ｆ４）
【００３４】
図４を参照する。ステップＳ３２〜Ｓ３５では、拡散抵抗算出部１１ｒは、３つのガス拡散抵抗Ｒｔｏｔａｌ，Ｒｗｅｔ，Ｒｄｒｙを算出する。各ガス拡散抵抗Ｒｔｏｔａｌ，Ｒｗｅｔ，Ｒｄｒｙの単位は、「ｓ／ｍ」である。ガス拡散抵抗Ｒｔｏｔａｌは、反応ガスの触媒層５４への拡散の困難性を示すパラメータである。ガス拡散抵抗Ｒｔｏｔａｌは、２つのガス拡散抵抗Ｒｗｅｔ，Ｒｄｒｙの和に相当する。つまり、Ｒｔｏｔａｌ＝Ｒｗｅｔ＋Ｒｄｒｙである。
【００３５】
ガス拡散抵抗Ｒｗｅｔ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である。ガス拡散抵抗Ｒｗｅｔは、燃料電池セル２１内部の水分状態に大きく影響を受けて変化する。ガス拡散抵抗Ｒｄｒｙは、ドライアップに依拠して変化する拡散特性を示すパラメータである。ガス拡散抵抗Ｒｄｒｙは、燃料電池セル２１内部の乾燥状態に大きく影響を受けて変化する。
【００３６】
ステップＳ３２では、拡散抵抗算出部１１ｒは、プロトン移動抵抗Ｒｍｅｍを用いて、ガス拡散抵抗Ｒｄｒｙを算出する。プロトン移動抵抗Ｒｍｅｍは、燃料電池セル２１内部の湿度ＲＨに対して、以下の数式Ｆ５に示される相関性を有する。拡散抵抗算出部１１ｒは、数式Ｆ５の関係を表すマップＭ１を予め記憶しており、マップＭ１を参照して、プロトン移動抵抗Ｒｍｅｍを湿度ＲＨに変換する。数式Ｆ５中の「ａ」および「ｂ」は定数である。
ＲＨ∝ａ・（Ｒｍｅｍ）−ｂ  …（Ｆ５）
【００３７】
ガス拡散抵抗Ｒｄｒｙは、拡散係数Ｄｄｒｙに対して、以下の数式Ｆ６に示される相関性を有し、拡散係数Ｄｄｒｙに反比例する。拡散係数Ｄｄｒｙは、燃料電池セル２１内部の湿度ＲＨに対して、湿度ＲＨが増加するほど大きくなる相関性を有する。拡散抵抗算出部１１ｒは、湿度ＲＨと拡散係数Ｄｄｒｙとの相関関係を表す予め記憶されているマップＭ２を用いて、湿度ＲＨから拡散係数Ｄｄｒｙを算出する。拡散抵抗算出部１１ｒは、その拡散係数Ｄｄｒｙを用いて、予め記憶されている下記の数式Ｆ６が表す相関関係に基づいて、ガス拡散抵抗Ｒｄｒｙを算出する。式中の「ｃ」は定数であり、「δ」はガス拡散層５５の厚みである。
Ｒｄｒｙ∝ｃ・（δ／Ｄｄｒｙ）  …（Ｆ６）
【００３８】
ステップＳ３３では、拡散抵抗算出部１１ｒは、ガス拡散抵抗Ｒｔｏｔａｌの算出に用いられる限界電流密度Ｉｌｉｍを、下記の数式Ｆ７〜Ｆ１１を用いて算出する。数式中の「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、「ηｃ」は濃度過電圧、「ηａ」は活性化過電圧、「ηＲ」は抵抗過電圧、「ｑ」は電荷移動係数を表す定数である。
Ｉｌｉｍ＝｛ｅｐ／（ｅｐ−１）｝・Ｉ  …（Ｆ７）
ｐ＝（ηｃ・ｎ・Ｆ）／（２・Ｒ・Ｔ）  …（Ｆ８）
ηｃ＝Ｅｏ−Ｅ−ηａ−ηＲ  …（Ｆ９）
ηａ＝（Ｒ・Ｔ／２・ｑ・Ｆ）ｌｎ（Ｉ／Ｉｏ）  …（Ｆ１０）
ηＲ＝Ｉ・Ｒｍｅｍ  …（Ｆ１１）
【００３９】
ステップＳ３４では、拡散抵抗算出部１１ｒは、予め記憶している関数である下記の数式Ｆ１２に、ステップＳ３１で求めたガス反応抵抗Ｒｃｔと、ステップＳ３３で算出した限界電流密度Ｉｌｉｍを適用して、ガス拡散抵抗Ｒｔｏｔａｌを算出する。式中の「ρ」及び「ξ」は、燃料電池セル２１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Ｒｃｔ、および、限界電流密度Ｉｌｉｍから算出される。
Ｒｔｏｔａｌ＝ρ・（Ｒｃｔ・Ｉｌｉｍ）ξ  …（Ｆ１２）
【００４０】
ステップＳ３５では、拡散抵抗算出部１１ｒは、下記の数式Ｆ１３に示すように、ガス拡散抵抗Ｒｔｏｔａｌからガス拡散抵抗Ｒｄｒｙを減算して、ガス拡散抵抗Ｒｗｅｔを算出する。
Ｒｗｅｔ＝Ｒｔｏｔａｌ−Ｒｄｒｙ  …（Ｆ１３）
【００４１】
図６は、ガス拡散抵抗Ｒｗｅｔと燃料電池セル２１における含水量推定値との相関関係を表すマップＭ３の一例を示す説明図である。このマップＭ３に表されている相関関係は、ガス拡散抵抗Ｒｗｅｔに対する燃料電池セル２１の含水量の実測値をプロットすることによって得られる。
【００４２】
ステップＳ３６では、含水量推定部１１ｗは、マップＭ３を予め記憶しており、マップＭ３を用いて、ステップＳ３５で算出されたガス拡散抵抗Ｒｗｅｔに対する燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃを取得する。ステップＳ３６では、含水量推定部１１ｗは、マップＭ３を用いる代わりに、図６の相関関係を近似的に表す下記の数式Ｆ１４を用いて、含水量推定値Ｗｃを算出してもよい。
Ｗｃ＝１０−８・Ｒｗｅｔ４−１０−７・Ｒｗｅｔ３−１０−５・Ｒｗｅｔ２＋７・Ｒｗｅｔ−４  …（Ｆ１４）
【００４３】
このように、含水量推定部１１ｗは、インピーダンスの計測値からガス拡散抵抗Ｒｗｅｔを導き出し、そのガス拡散抵抗Ｒｗｅｔに基づいて含水量推定値Ｗｃを導出している。インピーダンスの計測値自体は、燃料電池セル２１内の水分状態以外の要因でも変動するパラメータである。それに対して、ガス拡散抵抗Ｒｗｅｔは、インピーダンスの計測値から導出される成分のうちで、燃料電池セル２１における含水量に対して高い相関性を有し、燃料電池セル２１内部の水分状態に応じて高い感度で変動する成分である。よって、ガス拡散抵抗Ｒｗｅｔに基づき導出される含水量推定値Ｗｃは、燃料電池セル２１が正常な状態であれば、燃料電池セル２１内部の実際の含水量を高い精度で示す。
【００４４】
図３を参照する。ステップＳ４０では、含水量推定部１１ｗは、燃料電池スタック２０全体のインピーダンスの計測結果から、燃料電池セル２１ごとの含水量を表す含水量基準推定値Ｗｓを次のように算出する。含水量推定部１１ｗは、まず、ステップＳ２０で計測した燃料電池スタック２０全体のインピーダンスを用いて、図４のステップＳ３１と同様な演算処理によって、燃料電池スタック２０全体でのプロトン移動抵抗およびガス反応抵抗を求める。含水量推定部１１ｗは、それらプロトン移動抵抗およびガス反応抵抗を、燃料電池スタック２０に含まれる燃料電池セル２１の個数で除算することにより、燃料電池セル２１あたりのプロトン移動抵抗ＲｍｅｍＡ、および、ガス反応抵抗ＲｃｔＡを算出する。次に、含水量推定部１１ｗは、プロトン移動抵抗ＲｍｅｍＡ、および、ガス反応抵抗ＲｃｔＡを、燃料電池セル２１ごとのプロトン移動抵抗Ｒｍｅｍおよびガス反応抵抗Ｒｃｔの代わりに用いて、図４のステップＳ３２〜Ｓ３５と同様な演算処理によって、燃料電池スタック２０のガス拡散抵抗ＲｗｅｔＡを取得する。含水量推定部１１ｗは、図６のマップＭ３を用いて、燃料電池スタック２０のガス拡散抵抗ＲｗｅｔＡに対する含水量推定値を、含水量基準推定値Ｗｓとして取得する。
【００４５】
図７は、ステップＳ５０Ａにおいて判定部１１ｊが実行する第１実施形態の判定処理のフローを示す説明図である。判定部１１ｊは、判定対象である燃料電池セル２１ごとにステップＳ１０１の判定を繰り返しおこなって、全ての判定対象の燃料電池セル２１について触媒劣化の発生の有無を判定する。
【００４６】
ステップＳ１０１では、判定部１１ｊは、基準値である含水量基準推定値Ｗｓに対する判定対象である燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃの大きさを判定する。より具体的には、判定部１１ｊは、含水量基準推定値Ｗｓから判定対象の燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃを減算した差分が、予め決められた正の閾値αより大きいか否かを判定する。Ｗｓ−Ｗｃ＞αの関係が満たされた場合には、判定部１１ｊは、ステップＳ１０２において、今回の判定対象である燃料電池セル２１に触媒劣化が生じていると判定する。判定部１１ｊは、触媒劣化の発生が検出されたことを示すフラグを、今回の判定対象である燃料電池セル２１を特定する識別子に対応付けて設定する。ステップＳ１０１において、Ｗｓ−Ｗｃ＞αの関係が満たされない場合には、次の判定対象の燃料電池セル２１について、ステップＳ１０１の判定をおこなう。
【００４７】
図８は、触媒劣化の発生の有無による含水量推定値の精度の変化を検証した実験結果を示す説明図である。図８には、燃料電池セルの含水量推定値を横軸とし、含水量の実測値を縦軸とする散布図が図示されている。図８では、含水量推定値が含水量の実測値と一致する理想の分布位置を示す直線を一点鎖線によって図示し、含水量の実測値に対する含水量推定値の許容される誤差範囲を破線によって図示してある。この実験結果に示されているように、触媒劣化が生じていない多くの正常な燃料電池セルにおいて、含水量推定値と実測値との差は許容される誤差範囲内にほぼ収まった。これに対して、触媒劣化が生じている多くの燃料電池セルでは、含水量推定値が実測値に対して低い値として算出された。
【００４８】
図９は、実験によって得られたガス拡散抵抗Ｒｗｅｔと燃料電池セルの実際の含水量との関係を示す説明図である。図９のグラフＧ１は、正常な燃料電池セルにおいて得られたものであり、グラフＧ２，Ｇ３は触媒劣化が生じている燃料電池セルにおいて得られたものである。なお、グラフＧ３の燃料電池セルは、グラフＧ２の燃料電池セルよりも触媒劣化がより進行していた。これらのグラフが示すように、触媒劣化が進行しているものほど、同じ含水量ＷＡに対するガス拡散抵抗Ｒｗｅｔの値が小さくなった。これは、触媒劣化が進行するほどガス反応抵抗Ｒｃｔが小さくなるためであると考えられる。
【００４９】
図８および図９の実験結果に示されているように、含水量推定値Ｗｃには、触媒劣化が生じていると、燃料電池セル２１の実際の含水量よりも低い値として算出される特性がある。ステップＳ１０１での判定は、その特性を利用し、含水量基準推定値Ｗｓを実際の含水量に近い基準値として、判定対象の燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃが、その基準値Ｗｓよりも許容範囲を超えて低下しているか否かを判定するものである。判定条件での閾値αは、その許容範囲を定める値である。閾値αは、許容できない程度に進行した触媒劣化を検出できるように、理論的、あるいは、実験的に予め定められた値でよい。
【００５０】
第１実施形態の判定処理では、燃料電池スタック２０全体のインピーダンスの計測結果から求まる燃料電池セル２１ごとの含水量を表す含水量基準推定値Ｗｓを基準値として用いている。含水量基準推定値Ｗｓは、燃料電池スタック２０全体の発電性能の経年変化に応じて変動する値であり、現在の燃料電池スタック２０の含水量に応じて変動する値である。そのため、燃料電池スタック２０がそうした経年変化をした場合でも、燃料電池セル２１の中で特に触媒劣化が進行しているものを的確に検出することができる。
【００５１】
図３を参照する。ステップＳ６０では、監視装置制御部１１は、ステップＳ５０Ａの判定処理において設定されたフラグを検査して、判定対象の燃料電池セル２１の中に触媒劣化の発生が検出されたものがあるか否かを判定する。触媒劣化の発生が検出された燃料電池セル２１がない場合には、監視装置制御部１１はそのまま監視処理を終了する。触媒劣化の発生が検出された燃料電池セル２１がある場合には、監視装置制御部１１は、ステップＳ７０において、触媒劣化の進行を抑制するための処理を実行する。
【００５２】
ステップＳ７０では、監視装置制御部１１は、例えば、燃料ガスの供給量を通常よりも増加させるように、システム制御部２５に依頼する。燃料ガスの供給量が不足するときに触媒の劣化が進行しやすくなるためである。ステップＳ７０では、監視装置制御部１１は、燃料電池スタック２０の出力電流を予め決められた値を超えないように制限するようにシステム制御部２５に依頼してもよい。ステップＳ７０では、監視装置制御部１１は、予め決められた個数よりも多い燃料電池セル２１に触媒劣化が検出された場合には、燃料電池スタック２０の発電を停止するようにシステム制御部２５に依頼してもよい。また、ステップＳ７０では、監視装置制御部１１は、燃料電池車両のユーザーに、触媒劣化の発生を報知する処理を実行してもよい。この報知処理では、触媒劣化が生じている燃料電池セル２１の識別子を併せて報知してもよい。ステップＳ７０の処理の実行後、監視装置制御部１１は、監視処理を終了する。
【００５３】
１−６．第１実施形態のまとめ：
以上のように、第１実施形態の燃料電池監視装置１０によれば、インピーダンスの計測結果から求められるガス拡散抵抗Ｒｗｅｔから導出される含水量推定値Ｗｃの特性に基づいて、一部の燃料電池セル２１に生じている触媒劣化を精度よく検出することができる。よって、燃料電池監視装置１０を備える燃料電池システム１００によれば、触媒劣化の進行による不具合の発生を抑制することができる。その他に、第１実施形態の燃料電池監視装置１０、それを備える燃料電池システム１００、それらにおいて実現されている燃料電池セル２１の状態の判定方法によれば、第１実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。
【００５４】
２．第２実施形態：
図１０は、第２実施形態の監視処理のフローを示す説明図である。第２実施形態の監視処理は、第１実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池監視装置１０において実行される。燃料電池監視装置１０は、第１実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池システム１００に搭載されている。第２実施形態の監視処理のフローは、第１実施形態におけるステップＳ５０Ａの判定処理の代わりに、ステップＳ５０Ｂの判定処理が実行される点と、ステップＳ５２，Ｓ５４の処理が追加されている点以外は、第１実施形態の監視処理のフローとほぼ同じである。監視装置制御部１１は、第１実施形態で説明したのと同様に、ステップＳ１０〜Ｓ４０において含水量推定値Ｗｃと含水量基準推定値Ｗｓとを算出した後、ステップＳ５０Ｂの判定処理において、判定部１１ｊにより、触媒劣化の発生の有無を判定する。
【００５５】
図１１は、ステップＳ５０Ｂの判定処理のフローを示す説明図である。第２実施形態の判定処理では、燃料電池セル２１における負電位の発生の有無によって、触媒劣化による不良と、水によるガス流路６３の閉塞による不良と、が区別して検出される点が、第１実施形態の判定処理とは異なっている。判定部１１ｊは、判定対象である燃料電池セル２１ごとにステップＳ１１０〜Ｓ１１６の処理を繰り返しおこなう。
【００５６】
ステップＳ１１０では、判定部１１ｊは、判定対象である燃料電池セル２１のセル電圧Ｖｃが負電位であるか否かを判定する。燃料電池セル２１において触媒劣化、または、水によるガス流路６３の閉塞が生じている場合には、その燃料電池セル２１のセル電圧Ｖｃは負電位となる。判定部１１ｊは、判定対象である燃料電池セル２１において負電位が検出されなかった場合には、判定対象の燃料電池セル２１には、触媒劣化も水によるガス流路６３の閉塞も生じていないと判定して、その燃料電池セル２１についての判定を終了する。
【００５７】
判定対象である燃料電池セル２１における負電位の発生が検出された場合には、判定部１１ｊは、ステップＳ１１１において、負電位の原因が触媒劣化によるものであるか否かを判定する。ステップＳ１１１では、判定部１１ｊは、第１実施形態の判定処理のステップＳ１０１と同様に、含水量基準推定値Ｗｓを基準値として用いて、含水量推定値Ｗｃの大きさを判定する。
【００５８】
含水量基準推定値Ｗｓから含水量推定値Ｗｃを減算した差分が予め定められた閾値αよりも大きい場合には、判定部１１ｊは、ステップＳ１１５において、判定対象の燃料電池セル２１に触媒劣化が発生していることを検出する。判定部１１ｊは、その燃料電池セル２１を特定する識別子に対応付けられた、触媒劣化の発生が検出されたことを示すフラグを設定する。
【００５９】
含水量基準推定値Ｗｓから含水量推定値Ｗｃを減算した差分が閾値αより小さい場合には、判定部１１ｊは、判定対象の燃料電池セル２１に水によるガス流路６３の閉塞が発生していることを検出する。判定部１１ｊは、ステップＳ１１６において、水によるガス流路６３の閉塞の発生を検出していることを示すフラグを、今回の判定対象の燃料電池セル２１を特定する識別子に対応付けて設定する。
【００６０】
図１２は、第２実施形態における判定処理の判定結果の一例を示す説明図である。１〜ｍ＋１番目の判定対象の燃料電池セル２１についての含水量推定値Ｗｃとセル電圧Ｖｃとが示されている。判定対象の燃料電池セル２１の個数をｎとするとき、ｍは、ｎ−１以下の任意の自然数である。図１２の例では、第２実施形態の判定処理において、負電位の発生のみが検出されたｍ−２番目の燃料電池セル２１については、水によるガス流路６３の閉塞の発生が検出される。負電位の発生と、含水量基準推定値Ｗｓに対する含水量推定値Ｗｃの許容範囲を超えた低下と、が検出されたｍ番目の燃料電池セル２１については、触媒劣化が検出される。
【００６１】
図１０を参照する。ステップＳ５２では、監視装置制御部１１は、判定対象の燃料電池セル２１の中に、水によるガス流路６３の閉塞の発生が検出されたものがあるか否かを判定する。水によるガス流路６３の閉塞の発生が検出されたものがある場合には、監視装置制御部１１は、ステップＳ５４において、ガス流路６３を閉塞する水を吹き飛ばすために、反応ガスの流量を通常より増加させる処理をシステム制御部２５に依頼する。
【００６２】
続いて、ステップＳ６０では、監視装置制御部１１は、第１実施形態で説明したのと同様に、判定対象の燃料電池セル２１の中に、触媒劣化の発生が検出されたものがあるか否かを判定する。触媒劣化の発生が検出されたものがある場合には、監視装置制御部１１は、ステップＳ７０において、第１実施形態で説明したような触媒劣化の進行を抑制するための処理の実行をシステム制御部２５に依頼する。
【００６３】
以上のように、第２実施形態の監視処理を実行する燃料電池監視装置１０によれば、触媒劣化を検出するための判定として、セル電圧Ｖｃによる判定が追加されているため、触媒劣化の検出精度が高められている。また、第２実施形態の燃料電池監視装置１０によれば、触媒劣化による不良と、水によるガス流路６３の閉塞による不良と、を区別して検出することができる。第２実施形態の燃料電池監視装置１０を備える燃料電池システム１００によれば、触媒劣化、または、水によるガス流路６３の閉塞が、不良の発生要因として特定されるため、その不良の発生要因に応じた適切な対応処理を実行することできる。その他に、第２実施形態の燃料電池監視装置１０、それを備える燃料電池システム１００、および、それらにおいて実現されている燃料電池セル２１の状態の判定方法によれば、上記の第１実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
【００６４】
３．第３実施形態：
図１３は、第３実施形態の監視処理において実行される判定処理のフローを示す説明図である。第３実施形態の監視処理は、第１実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池監視装置１０において実行される。燃料電池監視装置１０は、第１実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池システム１００に搭載されている。第３実施形態の監視処理のフローは、判定部１１ｊが実行する判定処理の内容が異なっている点以外は、第２実施形態の監視処理のフローとほぼ同じである。なお、第３実施形態では、ステップＳ２０での燃料電池スタック２０全体のインピーダンスを計測する処理と、ステップＳ４０の含水量基準推定値Ｗｓを算出する処理は省略されてもよい。
【００６５】
第３実施形態の判定処理は、判定部１１ｊが、ステップＳ１１１の代わりに、触媒劣化の有無を検出する判定条件が異なるステップＳ１１２の判定を実行する点以外は、第２実施形態で説明した判定処理とほぼ同じである。判定部１１ｊは、判定対象である複数の燃料電池セル２１のそれぞれについて予め決められた順で判定を繰り返す。第３実施形態では、判定対象の燃料電池セル２１の判定順序は燃料電池スタック２０において積層されている順である。
【００６６】
判定部１１ｊは、ステップＳ１１０において負電位が検出されなかった燃料電池セル２１について、ステップＳ１１２の判定をおこなう。ステップ１１２では、先に判定され、触媒劣化が検出されなかった燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃを基準値Ｗｐとして用いて判定がおこなわれる。ステップＳ１１２の最初の判定では、基準値Ｗｐには、予め設定された初期値が設定される。判定部１１ｊは、その基準値Ｗｐに対して、今回の判定対象である燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃが、予め決められた許容範囲を超えて低下しているときに、今回の判定対象である燃料電池セル２１に触媒劣化が生じていると判定する。ステップＳ１１２では、判定部１１ｊは、基準値Ｗｐから含水量推定値Ｗｃを減算した値が、許容範囲として予め決められた正の閾値βより大きいときに、ステップＳ１１５において、その燃料電池セル２１に触媒劣化が生じていると判定する。判定部１１ｊは、触媒劣化の検出を示すフラグを、判定対象の燃料電池セル２１を特定する識別子に対応付けて設定する。一方、判定部１１ｊは、基準値Ｗｐから含水量推定値Ｗｃを減算した値が閾値βより小さいときには、ステップＳ１１６において、ステップＳ１１０で当該燃料電池セル２１において検出された負電位の原因として、水によるガス流路６３の閉塞を検出する。判定部１１ｊは、水によるガス流路６３の閉塞の検出を示すフラグを、判定対象の燃料電池セル２１を特定する識別子に対応付けて設定する。
【００６７】
ステップＳ１１７では、次のステップＳ１１２での判定に用いられる基準値Ｗｐが設定される。ステップＳ１１２において触媒劣化が検出されなかった場合には、その判定対象の燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃが、次の判定での基準値Ｗｓとして設定される。一方、ステップＳ１１２において触媒劣化が検出された場合には、その燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃは、触媒劣化の発生を示すものであるため、次の判定対象の判定に用いる基準値Ｗｓとすることは好ましくない。そのため、この場合には、判定部１１ｊは、基準値Ｗｐを変更することなく、今回の判定で用いられた値をそのまま基準値Ｗｐとして継続して使用する。
【００６８】
第３実施形態の判定処理によれば、負電位を示し、かつ、含水量推定値Ｗｃが、判定対象である燃料電池セル２１全体の傾向から外れて顕著に低下しているものについて触媒劣化の発生が検出される。よって、含水量基準推定値Ｗｓを算出しなくても、含水量基準推定値Ｗｓを判定の基準値として用いた場合と同様に、他の燃料電池セル２１に比較して触媒が顕著に劣化しているものを精度よく検出することができる。その他に、第３実施形態の燃料電池監視装置１０、それを備える燃料電池システム１００、および、それらにおいて実現されている燃料電池セル２１の状態の判定方法によれば、上記の各実施形態において説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
【００６９】
４．第４実施形態：
図１４は、第４実施形態の監視処理のフローを示す説明図である。第４実施形態の監視処理は、第１実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池監視装置１０において実行される。燃料電池監視装置１０は、第１実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池システム１００に搭載されている。燃料電池監視装置１０は、燃料電池スタック２０の発電中に、予め決められた周期で、この監視処理を実行する。
【００７０】
第４実施形態の監視処理では、第１実施形態で説明したステップＳ１０〜Ｓ４０の処理によって取得される含水量推定値Ｗｃと、含水量基準推定値Ｗｓと、を用いて、燃料電池スタック２０の各燃料電池セル２１に対する反応ガスの分配不良の発生を検出する。「反応ガスの分配不良」とは、燃料電池スタック２０の発電中に、燃料電池セル２１にマニホールドを通じて分配される反応ガスの供給量が基準量に満たないことによって生じる不具合を意味する。
【００７１】
第４実施形態の監視処理において判定対象となるのは、燃料電池スタック２０を構成する全ての燃料電池セル２１である。他の実施形態では、燃料電池スタック２０を構成する燃料電池セル２１のうちの一部のみが判定対象として予め選択されていてもよい。一部の燃料電池セル２１のみを判定対象とする場合には、少なくとも、燃料電池スタック２０の積層方向における端部に配置されている燃料電池セル２１が判定対象に含まれていることが望ましい。反応ガスの分配不良は、そうした端部に配置された燃料電池セル２１のマニホールドに溜まった液水によって発生しやすい傾向にあるためである。第４実施形態の監視処理では、ステップＳ１０〜Ｓ４０において、第１実施形態で説明したのと同様に、含水量推定値Ｗｃおよび含水量基準推定値Ｗｓが取得された後、ステップＳ５０Ｄの判定処理が実行される。
【００７２】
図１５は、ステップＳ５０Ｄにおいて判定部１１ｊが実行する第４実施形態の判定処理のフローを示す説明図である。判定部１１ｊは、判定対象である燃料電池セル２１ごとにステップＳ１２１の判定を繰り返しおこなって、全ての判定対象の燃料電池セル２１について反応ガスの分配不良の発生の有無を判定する。
【００７３】
ステップＳ１２１では、判定部１１ｊは、判定対象の燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃが含水量基準推定値Ｗｓより大きいか否かを判定する。Ｗｃ＞Ｗｓが満たされたとき、判定部１１ｊは、ステップＳ１２２において、今回の判定対象の燃料電池セル２１に反応ガスの分配不良が生じていることを検出する。判定部１１ｊは、反応ガスの分配不良の発生が検出されたことを示すフラグを、今回の判定対象の燃料電池セル２１を特定する識別子に対応付けて設定する。ステップＳ１２１において、Ｗｃ＞Ｗｓが満たされない場合には、判定部１１ｊは、今回の判定対象の燃料電池セル２１についての判定を終了する。
【００７４】
図１６は、反応ガスのストイキ比の変化に対する含水量推定値の精度の変化を検証した実験結果を示す説明図である。図１６には、燃料電池セルの含水量推定値を横軸とし、含水量の実測値を縦軸とする散布図が図示されている。図１６では、図８と同様に、含水量推定値が含水量の実測値と一致する理想の分布位置を示す直線を一点鎖線によって図示し、含水量の実測値に対する含水量推定値の許容される誤差範囲を破線によって図示してある。
【００７５】
ここで、「反応ガスのストイキ比」とは、燃料電池スタック２０の発電量に対して理論的に必要とされる反応ガスの供給量に対する実際の反応ガスの供給量の比率である。図１６の各グラフは、反応ガスのストイキ比を１．１，１．２，１．５，２．０，２．５としたときのプロットを、反応ガスのストイキ比ごとにつなげたものである。図１６では、そのグラフが得られたときの反応ガスのストイキ比を吹き出し内に示してある。この実験結果に示されているように、反応ガスのストイキ比が１．５より小さい場合には、含水量推定値は、含水量の実測値よりも高めの値が得られるようになり、その精度は許容範囲から外れた。
【００７６】
図１７は、実験によって得られたガス拡散抵抗Ｒｗｅｔと燃料電池セルの実際の含水量との関係を示す説明図である。図１７の各グラフは、反応ガスのストイキ比を１．２，１．３，２．０としたときに得られたものである。図１７には、そのグラフが得られたときの反応ガスのストイキ比を吹き出し内に示してある。同じ含水量ＷＡに対するガス拡散抵抗Ｒｗｅｔの値は、反応ガスのストイキ比が小さくなるほど小さくなった。
【００７７】
図１６および図１７の実験結果に示されているように、含水量推定値Ｗｃには、燃料電池セル２１における反応ガスのストイキ比が低下するほど、実際の含水量よりも高い値として算出される特性がある。ステップＳ１２１では、含水量基準推定値Ｗｓを、現在の燃料電池スタック２０全体での反応ガスのストイキ比に対して求められる燃料電池セル２１ごとの含水量の実際の値に近い基準値として用いている。ステップＳ１２１では、判定対象の燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃが、含水量基準推定値Ｗｓよりも大きいときに、その判定対象の燃料電池セル２１において、反応ガスのストイキ比が、他の燃料電池セル２１よりも低下しており、反応ガスの分配不良が発生していると判定される。
【００７８】
図１４を参照する。ステップＳ８０では、監視装置制御部１１は、判定対象の燃料電池セル２１の中に、ステップＳ５０Ｄの判定処理において設定されたフラグを検査して、反応ガスの分配不良の発生が検出されたものがあるか否かを判定する。反応ガスの分配不良の発生が検出された燃料電池セル２１がない場合には、監視装置制御部１１はそのまま監視処理を終了する。
【００７９】
反応ガスの分配不良の発生が検出された燃料電池セル２１がある場合には、監視装置制御部１１は、ステップＳ８２において、反応ガスの分配不良を解消するための処理を実行する。監視装置制御部１１は、反応ガスの供給流量を一時的に通常よりも増加させる処理をシステム制御部２５に依頼する。この処理は、反応ガスのストイキ比を一時的に通常よりも増加させる処理と言い換えてもよい。ステップＳ８２では、監視装置制御部１１は、燃料電池車両のユーザーに、反応ガスの分配不良の発生を報知する処理を実行してもよい。この報知処理では、反応ガスの分配不良が生じている燃料電池セル２１の識別子を合わせて報知してもよい。ステップＳ８２では、反応ガスの分配不良が検出された燃料電池セル２１の数が多いほど、燃料電池スタック２０の目標電流に対する反応ガスの供給量が増加されてもよい。
【００８０】
図１８Ａは、比較例におけるセル電圧の時間変化と反応ガスのストイキ比の時間変化とを、時間軸を対応させて示す説明図である。図１８Ａでは、ストイキ比についての実線グラフＳｓは、燃料電池スタック全体での反応ガスのストイキ比を示し、一点鎖線のグラフＳｃは、反応ガスの分配不良の検出対象である燃料電池セル単体での反応ガスのストイキ比を示している。また、図１８Ａではセル電圧についての実線グラフＶｃＡは、燃料電池スタック全体でのセル電圧の平均値を示し、一点鎖線のグラフＶｃは、反応ガスの分配不良の検出対象である燃料電池セル単体でのセル電圧を示している。この比較例では、セル電圧Ｖｃが予め定めた閾値Ｖｔｈよりも低下したときに、反応ガスの分配不良が発生しているものとして、その不良を解消するために反応ガスのストイキ比を一時的に増加させる処理が実行される。
【００８１】
比較例の処理では、セル電圧の低下が一時的な誤差変動によるものであるのか、反応ガスの分配不良によるものであるのか、の判別ができないため、セル電圧が閾値を超える顕著な低下を示すまで、反応ガスのストイキ比を増大させることはできない。また、そうしたセル電圧の低下が検出された後、反応ガスのストイキ比を増大させたとしても、セル電圧の顕著な低下が検出されるまでの間の比較的長い期間に、マニホールドに溜まった反応ガスの分配不良の原因である多量の液水を除去するのには時間がかかる。長期間にわたって反応ガスの流量を増大させると、電解質膜が乾燥し、グラフＶｃＡに示されているように、一時的に、各燃料電池セルのセル電圧が低下してしまう可能性がある。
【００８２】
図１８Ｂは、第４実施形態の監視処理を実行した場合におけるセル電圧の時間変化の一例と、反応ガスのストイキ比の時間変化の一例とを、時間軸を対応させて示す図１８Ａと同様な説明図である。第４実施形態の監視処理によれば、反応ガスのストイキ比の変化に対する感度が高い含水量推定値Ｗｃを用いて判定するため、セル電圧Ｖｃが顕著に低下してしまう前の早い段階で、反応ガスの分配不良を精度よく検出することができる。また、反応ガスの分配不良を早期に検出できるため、その反応ガスの分配不良を解消するために反応ガスのストイキ比を増大させる期間を、比較例の場合よりも短くすることができる。よって、反応ガスのストイキ比を一時的に増加させたときの電解質膜における乾燥の発生を抑制することができる。
【００８３】
以上のように、第４実施形態の監視処理を実行する燃料電池監視装置１０によれば、反応ガスのストイキ比の変化に応じて感度よく変動する含水量推定値Ｗｃを用いて、燃料電池セル２１における反応ガスの分配不良を早期に精度よく検出することができる。その他に、第４実施形態の燃料電池監視装置１０、それを備える燃料電池システム１００、および、それらにおいて実現されている燃料電池セル２１の状態の判定方法によれば、上記の各実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
【００８４】
５．第５実施形態：
図１９は、第５実施形態の監視処理のフローを示す説明図である。第５実施形態の監視処理は、第１実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池監視装置１０において実行される。燃料電池監視装置１０は、第１実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池システム１００に搭載されている。燃料電池監視装置１０は、燃料電池スタック２０の発電中に、予め決められた周期で、この監視処理を実行する。第５実施形態の監視処理では、第１実施形態で説明したステップＳ１０〜Ｓ４０の処理によって取得される含水量推定値Ｗｃと、含水量基準推定値Ｗｓと、を用いて、燃料電池セル２１の不良の発生が検出される。また、検出された不良の発生要因が、触媒劣化と、反応ガスの分配不良のいずれであるのかが判定される。
【００８５】
第５実施形態の監視処理において判定対象となるのは、燃料電池スタック２０を構成する全ての燃料電池セル２１である。他の実施形態では、燃料電池スタック２０を構成する燃料電池セル２１のうち、一部の燃料電池セル２１が判定対象として予め選択されていてもよい。一部の燃料電池セル２１のみを判定対象とする場合には、第１実施形態や第４実施形態で説明したように、少なくとも、燃料電池スタック２０の積層方向における端部に配置されている燃料電池セル２１が判定対象に含まれていることが望ましい。第５実施形態の監視処理では、ステップＳ１０〜Ｓ４０において、第１実施形態で説明したのと同様に、含水量推定値Ｗｃおよび含水量基準推定値Ｗｓが取得された後、ステップＳ５０Ｅの判定処理が実行される。
【００８６】
図２０は、ステップＳ５０Ｅにおいて判定部１１ｊが実行する第５実施形態の判定処理のフローを示す説明図である。判定部１１ｊは、判定対象である燃料電池セル２１ごとにステップ１３０〜１３４の処理を繰り返しおこなって、全ての判定対象の燃料電池セル２１について、触媒劣化と反応ガスの分配不良についての発生の有無を判定する。
【００８７】
ステップＳ１３０では、判定部１１ｊは、第１実施形態で説明したステップＳ１０１の処理と同様に、閾値αを用いて、判定対象の燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃが、その基準値Ｗｓよりも許容範囲を超えて低下しているか否かを判定する。Ｗｓ−Ｗｃ＞αの関係が満たされた場合には、判定部１１ｊは、ステップＳ１３３において、今回の判定対象である燃料電池セル２１には触媒劣化が生じていることを検出する。判定部１１ｊは、触媒劣化の発生を検出したことを示すフラグを、今回の判定対象の燃料電池セル２１を特定する識別子に対応付けて設定する。
【００８８】
ステップＳ１３０の判定において、Ｗｓ−Ｗｃ＞αの関係が満たされなかった場合には、判定部１１ｊは、ステップＳ１３１において、第４実施形態で説明したステップＳ１２１の処理と同様に、判定対象の燃料電池セル２１の含水量推定値Ｗｃが含水量基準推定値Ｗｓより大きいか否かを判定する。Ｗｃ＞Ｗｓが満たされたとき、判定部１１ｊは、ステップＳ１３４において、今回の判定対象の燃料電池セル２１に反応ガスの分配不良が生じていることを検出する。判定部１１ｊは、反応ガスの分配不良の発生を示すフラグを、今回の判定対象の燃料電池セル２１を特定する識別子に対応付けて設定する。ステップＳ１３１において、Ｗｃ＞Ｗｓが満たされなかった場合には、判定部１１ｊは、今回の判定対象の燃料電池セル２１には、触媒劣化も反応ガスの分配不良していないものとして、今回の判定対象の燃料電池セル２１についての判定を終了する。
【００８９】
図１９を参照する。ステップＳ９２では、監視装置制御部１１は、判定対象の燃料電池セル２１の中に、ステップＳ５０Ｅの判定処理において設定されたフラグを検査して、反応ガスの分配不良の発生が検出されたものがあるか否かを判定する。反応ガスの分配不良の発生が検出された燃料電池セル２１がある場合には、監視装置制御部１１は、ステップＳ９４において、反応ガスの分配不良を解消するために、反応ガスの供給流量を一時的に増大させる処理を実行する。
【００９０】
ステップＳ９６では、監視装置制御部１１は、判定対象の燃料電池セル２１の中に、ステップＳ５０Ｅの判定処理において、触媒劣化の発生が検出されたものがあるか否かを判定する。触媒劣化の発生が検出された燃料電池セル２１がない場合には、監視装置制御部１１はそのまま監視処理を終了する。触媒劣化の発生が検出された燃料電池セル２１がある場合には、監視装置制御部１１は、ステップＳ９８において、触媒劣化の進行を抑制するための処理を実行する。監視装置制御部１１は、例えば、燃料ガスの供給量を通常よりも増加させるように、システム制御部２５に依頼する。また、監視装置制御部１１は、予め決められた個数よりも多い燃料電池セル２１において触媒劣化が検出された場合には、燃料電池スタック２０の発電を停止するようにシステム制御部２５に依頼する。
【００９１】
以上の処理により、監視装置制御部１１は監視処理を終了する。なお、監視装置制御部１１は、触媒劣化または反応ガスの分配不良のいずれかの発生が検出されていた場合には、その不良が発生した燃料電池セル２１を特定する識別子と、その発生した不良の種類と、をユーザーに報知する処理を実行するものとしてもよい。
【００９２】
第５実施形態の監視処理を実行する燃料電池監視装置１０によれば、インピーダンスの計測結果から求められる含水量推定値Ｗｃを用いて、燃料電池セル２１に、触媒劣化と反応ガスの分配不良のいずれが発生しているのかが特定される。よって、その不良の発生要因に応じた適切な対応処理を実行することができる。その他に、第５実施形態の燃料電池監視装置１０、それを備える燃料電池システム１００、それらにおいて実現されている燃料電池セル２１の状態の判定方法によれば、上記の各実施形態において説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
【００９３】
６．第６実施形態：
図２１は、第６実施形態の監視処理のフローを示す説明図である。第６実施形態の監視処理は、第１実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池監視装置１０において実行される。燃料電池監視装置１０は、第１実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池システム１００に搭載されている。なお、第６実施形態の燃料電池監視装置１０では、監視装置制御部１１は、含水量推定部１１ｗを備えていなくてもよく、インピーダンスの計測値からガス反応抵抗Ｒｃｔを算出する機能を有していればよい。
【００９４】
第６実施形態の監視処理は、ステップＳ３０，Ｓ４０，Ｓ５０Ａの代わりに、ステップＳ３０Ｆ，Ｓ４０Ｆ，Ｓ５０Ｆの処理が実行される点以外は、第１実施形態の監視処理とほぼ同じである。第６実施形態の監視処理は、インピーダンスの計測結果から求められるガス反応抵抗Ｒｃｔを用いて、燃料電池セル２１における触媒劣化の発生の有無が判定される点が第１実施形態の監視処理とは異なっている。
【００９５】
ステップＳ３０Ｆでは、監視装置制御部１１は、ステップＳ１０〜Ｓ２０で取得した燃料電池セル２１ごとのインピーダンスの計測値を用いて、図３のステップＳ３１の処理と同様な方法により、燃料電池セル２１ごとのガス反応抵抗Ｒｃｔを算出する。ステップＳ４０Ｆでは、監視装置制御部１１は、ステップＳ１０〜Ｓ２０で取得した燃料電池スタック２０全体のインピーダンスの計測値を用いて、燃料電池スタック２０のガス反応抵抗ＲｃｔＡを算出する。ガス反応抵抗ＲｃｔＡは、燃料電池セル２１あたりの値であり、燃料電池スタック２０全体でのガス反応抵抗を、燃料電池セル２１の個数で除した値に相当する。
【００９６】
図２２は、ステップＳ５０Ｆにおいて判定部１１ｊが実行する第６実施形態の判定処理のフローを示す説明図である。第６実施形態の判定処理は、ステップＳ１０１の代わりに、ガス反応抵抗Ｒｃｔ，ＲｃｔＡを用いたステップＳ１０１Ｆの判定がおこなわれる点以外は、第１実施形態で説明した判定処理とほぼ同じである。第６実施形態では、判定部１１ｊは、判定対象の燃料電池セル２１のガス反応抵抗Ｒｃｔが、基準値である燃料電池スタック２０全体のガス反応抵抗ＲｃｔＡよりも許容範囲を超えて低下しているか否かを判定する。より具体的には、判定部１１ｊは、判定対象の燃料電池セル２１のガス反応抵抗Ｒｃｔから燃料電池スタック２０全体のガス反応抵抗ＲｃｔＡを減算した値が、前記の許容範囲として予め定めた閾値γよりも大きいか否かを判定する。判定部１１ｊは、Ｒｃｔ−ＲｃｔＡ＞γの関係が満たされる場合には、ステップＳ１０２において、今回の判定対象の燃料電池セル２１において触媒劣化の発生を検出する。判定部１１ｊは、Ｒｃｔ−ＲｃｔＡ＞γの関係が満たされない場合には、今回の判定対象の燃料電池セル２１についての判定を終了する。
【００９７】
ガス反応抵抗Ｒｃｔは、触媒に起因する電気化学反応の起こりにくさを示すパラメータである。よって、ガス反応抵抗Ｒｃｔを用いたステップＳ５０Ｆの判定処理によれば、触媒劣化の発生を精度よく検出することができる。また、基準値として燃料電池スタック２０全体のガス反応抵抗ＲｃｔＡを用いているため、燃料電池スタック２０の触媒全体が経年変化しているような場合でも、一部の燃料電池セル２１の触媒劣化による性能低下を精度よく検出することができる。
【００９８】
以上のように、第６実施形態の監視処理を実行する燃料電池監視装置１０によれば、インピーダンスの計測値から含水量推定値Ｗｃを求めるまでもなく、ガス反応抵抗Ｒｃｔによって、燃料電池セル２１における触媒劣化の発生を精度よく検出することができる。また、第６実施形態の燃料電池監視装置１０を備える燃料電池システム１００によれば、触媒劣化の進行を適切に抑制することができ、触媒劣化の進行による不具合の発生を抑制することができる。
【００９９】
７．他の実施形態：
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記の各実施形態と同様に、本開示の技術を実施するための形態の一例として位置づけられる。
【０１００】
（１）他の実施形態１：
上記の各実施形態において、触媒劣化の発生を検出するために用いられる含水量基準推定値Ｗｓは、燃料電池スタック２０全体のインピーダンスの計測結果から導出されている。これに対して、触媒劣化の発生を検出するための含水量推定値Ｗｃの大きさを判定する基準値は、含水量基準推定値Ｗｓ以外の値が用いられてもよい。当該基準値としては、燃料電池スタック２０全体の現在の含水量に応じて変動する値が用いられればよい。例えば、判定対象である燃料電池セル２１ごとの含水量推定値Ｗｃの平均値が、その基準値として用いられてもよい。あるいは、燃料電池スタック２０における発電量と反応ガスの供給量と排水量とから算出された燃料電池セル２１ごとの含水量推定値が用いられてもよい。
【０１０１】
（２）他の実施形態２：
図１３に示す上記第３実施形態の判定処理において、ステップＳ１１０の負電位による判定は省略されてもよい。この場合には、第１実施形態の判定処理のように、判定対象である燃料電池セル２１での触媒劣化の発生のみが検出されてよい。
【０１０２】
８．その他：
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。
【０１０３】
本開示の技術は、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ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０…燃料電池監視装置、１１…監視装置制御部、１１ｉ…インピーダンス計測部、１１ｊ…判定部、１１ｒ…拡散抵抗算出部、１１ｗ…含水量推定部、１２…信号重畳部、１３…電流計測部、１４…スタック電圧計測部、１５…セル電圧計測部、２０…燃料電池スタック、２１…燃料電池セル、２２…エンドプレート、２３…集電板、２４…絶縁板、２５…システム制御部、３０…燃料ガス給排部、３１…高圧タンク、３２…供給配管、３３…開閉弁、３４…レギュレータ、３５…インジェクタ、３６…循環配管、３７…循環ポンプ、３８…排水配管、３９…排水弁、４０…酸化剤ガス給排部、４１…供給配管、４３…コンプレッサ、４４…排出配管、４５…背圧弁、５０…膜電極接合体、５１…電解質膜、５２…第１電極、５３…第２電極、５４…触媒層、５５…ガス拡散層、６１…第１セパレータ、６２…第２セパレータ、６３…ガス流路、１００…燃料電池システム、２００…外部負荷、Ｍ１…マップ、Ｍ２…マップ、Ｍ３…マップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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