(57)【要約】【課題】燃料電池セルに対する反応ガスの供給量不足の状態を高い精度で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、燃料電池スタックに２つの周波数の交流信号を印加して、相対的に低い周波数の交流信号に対する燃料電池セルのインピーダンスの絶対値と、相対的に高い周波数の交流信号に対する前記燃料電池セルのインピーダンスの位相角と、を算出するインピーダンス計測部と、前記インピーダンスの絶対値が予め決められた第１閾値よりも大きい前記燃料電池セル、あるいは、前記インピーダンスの絶対値が前記第１閾値よりも小さく、かつ、前記インピーダンスの位相角が予め決められた第２閾値よりもマイナス側に大きい前記燃料電池セルに、前記燃料ガスの供給量の不足が生じていると判定する判定部と、を備える。【選択図】図３
2020087763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックが備える複数の燃料電池セルにおける酸化剤ガスと燃料ガスの供給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２つの周波数の交流信号を印加して、相対的に低い周波数の交流信号に対する前記燃料電池セルのインピーダンスの絶対値と、相対的に高い周波数の交流信号に対する前記燃料電池セルのインピーダンスの位相角と、を算出するインピーダンス計測部と、
前記インピーダンスの絶対値が予め決められた第１閾値よりも大きい前記燃料電池セル、あるいは、前記インピーダンスの絶対値が前記第１閾値よりも小さく、かつ、前記インピーダンスの位相角が予め決められた第２閾値よりもマイナス側に大きい前記燃料電池セルに、前記燃料ガスの供給量の不足が生じていると判定する判定部と、
を備える、燃料電池監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の出力電流に交流信号を重畳させて、その交流信号に対する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スタックを構成する燃料電池セルの現在の状態を検出する燃料電池監視装置が知られている。例えば、特許文献１の燃料電池監視装置では、燃料電池セルのインピーダンスの絶対値が、第２の閾値である基準インピーダンスの絶対値＋所定値αより大きいときには、燃料電池セルが、燃料ガスである水素が不足している状態にあると判定する。また、燃料電池セルのインピーダンスの絶対値が、第１の閾値である基準インピーダンスの絶対値−所定値βより小さいときには、燃料電池セルが、酸化剤ガスである酸素が不足している状態にあると判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−０４５６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃料電池では、例えばガス流路の閉塞などによって、要求されている発電量に対して酸化剤ガスと燃料ガスの両方の供給量が不足する場合がある。上記の特許文献１の技術では、インピーダンスの絶対値の基準値に対する大小によって、燃料ガスと酸化剤ガスのいずれの供給量が不足しているのかが特定されているため、酸化剤ガスと燃料ガスの両方の供給量が不足する状態を検出することができない。このように、インピーダンスの計測結果を用いて燃料電池に対する反応ガスの供給量不足の状態を精度よく検出すること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】
本開示の技術の一形態は、燃料電池スタックが備える複数の燃料電池セルにおける酸化剤ガスと燃料ガスの供給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２つの周波数の交流信号を印加して、相対的に低い周波数の交流信号に対する前記燃料電池セルのインピーダンスの絶対値と、相対的に高い周波数の交流信号に対する前記燃料電池セルのインピーダンスの位相角と、を算出するインピーダンス計測部と、前記インピーダンスの絶対値が予め決められた第１閾値よりも大きい前記燃料電池セル、あるいは、前記インピーダンスの絶対値が前記第１閾値よりも小さく、かつ、前記インピーダンスの位相角が予め決められた第２閾値よりもマイナス側に大きい前記燃料電池セルに、前記燃料ガスの供給量の不足が生じていると判定する判定部と、を備える。この形態の燃料電池監視装置によれば、インピーダンスの絶対値と位相角とを用いた判定をおこなうため、インピーダンスの絶対値の大小判定だけでは検出できない燃料ガスの供給量が不足している状態を検出することができる。例えば、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が不足している状態を検出することができる。よって、燃料電池セルに対する反応ガスの供給量不足の状態をより高い精度で検出することができる。
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、燃料電池の発電状態を監視する方法や、燃料電池における反応ガスの供給状態を判定する方法、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】第１実施形態における判定閾値を説明するための説明図。
【図５】第２実施形態の監視処理のフローを示す説明図。
【図６】第２実施形態における判定閾値を説明するための説明図。
【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における反応ガスの供給状態を監視する。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の構成および燃料電池監視装置１０が実行する監視処理について説明する。
【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、インピーダンスなど、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、燃料ガスの循環・排出系として、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全体を制御する監視装置制御部１１を備える。監視装置制御部１１は、燃料電池スタック２０を構成する燃料電池セル２１における反応ガスの供給状態を監視する監視処理を実行する。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、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、監視対象である燃料電池セル２１のそれぞれについて、インピーダンスの絶対値と位相角とを算出する。
【００２２】
判定部１１ｊは、インピーダンス計測部１１ｉが算出したインピーダンスの絶対値と位相角とを用いて燃料電池セル２１における反応ガスの供給量不足の発生の有無を判定する。ここでの「反応ガスの供給量不足」とは、燃料電池スタック２０の目標発電量に対して理論的に必要とされる反応ガスの量に対して、酸化剤ガスと燃料ガスの少なくとも一方の実際の供給量が不足する状態を意味する。反応ガスの供給量不足は、多くの場合、一部の燃料電池セル２１において、ガス流路６３やガス流路６３とマニホールドとを連結する流路が、燃料電池セル２１内の液水によって閉塞されることによって生じる。インピーダンス計測部１１ｉによるインピーダンスの計測処理や、判定部１１ｊにおける判定処理の詳細については後述する。
【００２３】
燃料電池監視装置１０は、さらに、燃料電池スタック２０のインピーダンスを計測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Ｉｓ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Ｖｓを計測して、監視装置制御部１１に出力する。スタック電圧計測部１４は省略されてもよい。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Ｖｃを計測して、監視装置制御部１１に出力する。
【００２４】
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、反応ガスの供給量不足の発生の有無が判定される。
【００２５】
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。端部に配置された燃料電池セル２１は、ガス流路６３に液水が溜まりやすく、反応ガスの供給量不足が発生しやすい傾向にあるためである。
【００２６】
ステップＳ１０では、インピーダンス計測部１１ｉは、監視対象である燃料電池セル２１のそれぞれについて、低周波の交流に対するインピーダンスの絶対値と、高周波の交流に対するインピーダンスの位相角と、を算出する。ここでの高周波および低周波は、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。以下では、低周波の交流に対するインピーダンスの絶対値を「低周波絶対値」とも呼び、高周波の交流に対するインピーダンスの位相角を「高周波位相角」とも呼ぶ。
【００２７】
インピーダンス計測部１１ｉは、まず、燃料電池スタック２０に、２つの交流信号を印加する。より具体的には、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、低周波数ｆＬと高周波数ｆＨの交流信号を重畳させる。低周波数ｆＬは、例えば、１８〜２２Ｈｚであり、高周波数ｆＨは、例えば、１８０〜２２０Ｈｚである。インピーダンス計測部１１ｉは、低周波数ｆＬと高周波数ｆＨ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、信号重畳部１２に、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。
【００２８】
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、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、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。インピーダンス計測部１１ｉは、信号重畳部１２によって重畳される交流電流の電流値と、セル電圧Ｖｃと、を用いて、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）法によって、低周波絶対値ＺＬと、高周波位相角θＨと、を算出する。
【００２９】
ステップＳ２０は、燃料ガスの供給量不足の発生の有無を判定する判定処理である。ステップＳ２０では、判定部１１ｊは、判定対象の燃料電池セル２１ごとに、低周波絶対値ＺＬが、予め決められた判定閾値Ｚｓ＋αよりも大きいか否かを判定する。以下、判定閾値のうちのＺｓを「インピーダンス基準値Ｚｓ」とも呼ぶ。Ｚｓは、反応ガスのストイキ比ごとに決められた値であり、そのストイキ比で反応ガスが燃料電池セル２１に正常に供給されているときに計測されることが期待される低周波絶対値を示す基準値である。「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供給量の比である。燃料電池セル２１における反応ガスのストイキ比が１．０より小さいときが、当該燃料電池セル２１において反応ガスの供給量不足が発生しているときである。第１実施形態では、判定閾値Ｚｓ＋αは、燃料ガスの供給量不足の発生の有無を判定するための第１閾値である。
【００３０】
酸化剤ガスの供給量が不足していない状態において、燃料ガスの供給量不足が生じると、不足するプロトンを補うために、カソード側においてカーボンの酸化反応が生じ、反応抵抗が増大する。そのため、この場合には、燃料ガスと酸化剤ガスの両方ともが不足していない正常状態のときよりＺＬが増大する。そこで、ステップＳ２０では、判定部１１ｊは、ＺＬ＞Ｚｓ＋αの関係が満たされる燃料電池セル２１に、燃料ガスのみの供給量不足が生じていると判定する。判定閾値Ｚｓ＋αのうちのαは、予め実験により定められた正の実数値であり、燃料ガスの供給量不足が生じていないことが想定されるインピーダンス基準値Ｚｓに対するプラス側の許容範囲を規定する。
【００３１】
ステップＳ２０で燃料ガスのみの供給量不足が生じていると判定された燃料電池セル２１がある場合には、ステップＳ２５において、燃料ガスの不足を解消するための処理が実行される。具体的には、監視装置制御部１１は、システム制御部２５に、燃料ガスの供給量を現在よりも増加させる処理の実行を依頼する。ステップＳ２０で燃料ガスのみの供給量不足が生じていると判定された燃料電池セル２１がなかった場合、または、ステップＳ２５の処理が実行された後には、判定部１１ｊは、ステップＳ３０の判定をおこなう。
【００３２】
ステップＳ３０は、酸化剤ガスの供給量不足の発生の有無を判定する判定処理である。ステップＳ３０では、判定部１１ｊは、判定対象の燃料電池セル２１ごとに、インピーダンスの絶対値ＺＬが、判定閾値Ｚｓ−βより小さいか否かを判定する。燃料ガスの供給量が不足していない状態において、酸化剤ガスが不足していると、カソード側に移動したプロトンの酸化還元反応が生じることによって、反応抵抗が低下する。そのため、燃料ガスと酸化剤ガスの両方ともが不足していない正常状態のときよりもＺＬは低下する。そこで、ステップＳ３０では、判定部１１ｊは、ＺＬ＜Ｚｓ−βの関係が満たされる燃料電池セル２１に、酸化剤ガスのみの供給量不足が生じていると判定する。判定閾値Ｚｓ−βのうちのβは、予め実験的に定められた正の実数値であり、酸化剤ガスの供給量不足が生じていないことが想定されるインピーダンス基準値Ｚｓに対するマイナス側の許容範囲を規定する。
【００３３】
ステップＳ３０で酸化剤ガスのみの供給量不足が生じていると判定された燃料電池セル２１がある場合には、ステップＳ３５において、酸化剤ガスの不足を解消するための処理が実行される。具体的に、監視装置制御部１１は、システム制御部２５に、酸化剤ガスの供給量を現在よりも増加させる処理の実行を依頼する。ステップＳ３５の処理の実行後には、判定部１１ｊは、監視処理を終了する。ステップＳ３０において、ＺＬ＜Ｚｓ−βの関係が満たされる燃料電池セル２１がなかった場合には、判定部１１ｊは、ステップＳ４０の判定をおこなう。
【００３４】
ステップＳ４０は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量不足の発生の有無を判定する判定処理である。ステップＳ４０では、判定部１１ｊは、判定対象の燃料電池セル２１ごとに、高周波位相角θＨが、判定閾値θｓ−γより小さいか否かを判定する。高周波位相角θＨは負の値であるため、ステップＳ４０の判定は、高周波位相角θＨが、判定閾値θｓ−γよりマイナス側に大きいか否かを判定していると言い換えてもよい。位相角基準値θｓは、反応ガスのストイキ比ごとに決められた値であり、そのストイキ比で反応ガスが燃料電池セル２１に正常に供給されているときに計測されることが期待される高周波位相角を示す基準値である。ステップＳ４０の判定閾値θｓ−γは、燃料ガスの供給量不足の発生の有無を判定するための第２閾値である。γは、予め実験的に定められた正の実数値であり、位相角基準値θｓに対するマイナス側の許容範囲を規定する。
【００３５】
ステップＳ４０では、θＨ＜θｓ−γの関係を満たす燃料電池セル２１がある場合に、判定部１１ｊは、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が燃料電池スタック２０の目標発電量に対して不足していると判定する。この理由については後述する。θＨ＜θｓ−γの関係を満たす燃料電池セル２１がある場合には、監視装置制御部１１は、ステップＳ４５において、システム制御部２５に、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量を現在よりも増加させる処理の実行を依頼する。ステップＳ４５の実行後、監視装置制御部１１は、監視処理を終了する。
【００３６】
図４は、燃料電池スタック２０に対する燃料ガスと酸化剤ガスのストイキ比を変化させたときの低周波絶対値ＺＬと高周波位相角θＨの変化を検証した実験結果を示す説明図である。図４の上段には、酸化剤ガスおよび燃料ガスのストイキ比の時間変化を示すグラフが図示されている。このストイキ比のグラフでは、燃料ガスの時間変化が実線で示され、酸化剤ガスの時間変化が破線で示されている。図４の中段には、低周波絶対値ＺＬの時間変化を示すグラフが図示されている。この低周波絶対値ＺＬのグラフには、ステップＳ２０およびステップＳ３０の判定閾値に含まれるインピーダンス基準値Ｚｓとα，βで規定される許容範囲が例示されている。図４の下段には、高周波位相角θＨの時間変化を示すグラフが図示されている。このグラフでは、高周波位相角θＨの値を示す縦軸は、マイナス方向を示している。この高周波位相角θＨのグラフには、ステップＳ４０の判定閾値に含まれる位相角基準値θｓと、γで規定される許容範囲が例示されている。図４におけるストイキ比、低周波絶対値ＺＬ、および、高周波位相角θＨの各グラフの時間軸は対応している。
【００３７】
図４のグラフは、次のような実験において得られた。この実験では、まず、１または複数の燃料電池セル２１に、燃料ガスと酸化剤ガスの両方のストイキ比が１．０より大きく、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が不足していない正常状態で発電を開始させた。その後、セル電圧Ｖｃが０Ｖまで低下するまで、酸化剤ガスのストイキ比を段階的に徐々に低下させた。次に、セル電圧Ｖｃが０Ｖまで低下した後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０より小さい値で一定に保ちつつ、燃料ガスのストイキ比を段階的に徐々に低下させていき、セル電圧Ｖｃが−０．２Ｖ付近になった時点で実験を終了した。
【００３８】
正常状態では、低周波絶対値ＺＬおよび高周波位相角θＨはそれぞれ、基準値Ｚｓ，θｓ付近でほぼ一定である。燃料ガスのストイキ比が１．０より大きい状態で、酸化剤ガスのストイキ比が１．０より低下すると、低周波絶対値ＺＬは階段状に急激に低下し、逆に、高周波位相角θＨは階段状に急激に上昇する。これは、酸化剤ガスの供給量のみが不足することによって、カソードにおいて上述したプロトンの酸化還元反応が起こるためである。よって、低周波絶対値ＺＬが、インピーダンス基準値Ｚｓに対して許容範囲を超えて小さくなっているとき、つまり、ステップＳ３０の判定閾値Ｚｓ−βより小さくなっているときには、酸化剤ガスの供給量のみが不足していると判定することができる。なお、図４のグラフに示されているように、βは、判定閾値Ｚｓ−βが、燃料ガスのストイキ比が１．０より大きく、酸化剤ガスのストイキ比が１．０〜１．２の間であるときの低周波絶対値に相当する値になるように設定されることが望ましい。
【００３９】
酸化剤ガスのストイキ比が１．０より小さく、その供給量が不足している状態で、燃料ガスのストイキ比が１．０より低下すると、低周波絶対値ＺＬは、縦軸に対して鋭角な角度で急激に上昇する。これは、上述したように、カソード側においてカーボンの酸化反応が生じ、反応抵抗が正常状態のときよりも増大するためである。このことは、低周波絶対値ＺＬが、ステップＳ２０での判定閾値Ｚｓ＋αよりも低い状態であっても、酸化剤ガスの供給量が不足している状態では、燃料ガスの供給量が不足する状態になっている場合があることを示している。
【００４０】
一方、高周波位相角θＨは、酸化剤ガスの供給量が不足している状態で、燃料ガスのストイキ比が１．０に到達すると、位相角基準値θｓを越えて急激に低下する。よって、高周波位相角θＨが、位相角基準値θｓに対して許容範囲を超えて小さくなっているとき、つまり、ステップＳ４０の判定閾値θｓ−γより小さくなっているときには、酸化剤ガスの供給量と燃料ガスの供給量とがともに不足していると判定することができる。なお、図４のグラフに示されているように、γは、判定閾値θｓ−γの値が、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれのストイキ比が０．９〜１．０の間であるときの高周波位相角に相当する値になるように設定されることが望ましい。
【００４１】
ここで、燃料ガスの供給量不足は、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の原因となる。第１実施形態の監視処理によれば、低周波絶対値ＺＬのみの判定で燃料ガスの供給量不足が検出されない場合であっても、高周波位相角θＨを用いた判定によって、燃料ガスの供給量不足を検出し、その対策を早期に図ることができる。よって、燃料ガスの供給量不足が検出されないまま、触媒層５４において触媒の不可逆な劣化が進行してしまうことを抑制できる。
【００４２】
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、低周波絶対値ＺＬと高周波位相角θＨとを用いて、燃料ガスの供給量が酸化剤ガスの供給量とともに不足している状態を検出することができる。よって、燃料電池セル２１に対する反応ガスの供給量不足の状態を高い精度で検出することができる。また、例えば、燃料電池スタック２０の発電効率の低下や、上述した触媒の劣化など、燃料電池セル２１における燃料ガスの供給量不足の発生に起因する不具合の発生を抑制することができる。
【００４３】
２．第２実施形態：
図５は、第２実施形態で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、ステップＳ３０の判定処理の後にステップＳ３２の判定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とほぼ同じである。
【００４４】
以下に説明するように、第２実施形態の監視処理では、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が不足している状態が検出される条件が追加されている。第２実施形態の監視処理では、ステップＳ３０においてＺＬ＜Ｚｓ−βの関係が満たされていると判定されたとき、ステップＳ３２の判定処理がおこなわれる。ステップＳ３２は、高周波位相角θＨを用いて、酸化剤ガスの供給量のみの不足であるのか、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量の不足であるのかを判定する判定処理である。具体的には、ステップＳ３２では、判定部１１ｊは、高周波位相角θＨが、判定閾値θｓ＋δより小さいか否か、つまり、高周波位相角θＨが、判定閾値θｓ＋δよりマイナス側に大きいか否かを判定する。δは、高周波位相角θＨが位相角基準値θｓに到達するよりも前の段階で、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が不足している状態を検出できるように、予め実験的に定められた正の実数値である。第２実施形態では、ステップＳ４０の判定閾値θｓ−γは、ステップＳ３２の判定閾値θｓ＋δとともに、燃料ガスの供給量不足の発生の有無を判定するための第２閾値としての機能を有する。
【００４５】
ステップＳ３２では、θＨ＜θｓ＋δの関係が満たされる場合に、判定部１１ｊは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が不足していると判定する。この場合には、監視装置制御部１１は、第１実施形態で説明したステップＳ４５の燃料ガスと酸化剤ガスの供給量不足を解消するための処理を実行する。ステップＳ３２において、θＨ＜θｓ＋δの関係が満たされない場合には、判定部１１ｊは、酸化剤ガスの供給量のみが不足していると判定する。この場合には、監視装置制御部１１は、第１実施形態で説明したステップＳ３５の酸化剤ガスの供給量不足を解消するための処理を実行する。
【００４６】
図６は、ステップＳ３２での判定閾値θｓ＋δを説明するための説明図である。図６は、δが例示され、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量不足が検出される範囲が追加されている点以外は、第１実施形態で参照した図４とほぼ同じである。
【００４７】
酸化剤ガスのストイキ比が１．０より小さく、酸化剤ガスの供給量が不足している状態において、燃料ガスのストイキ比を１．０より大きい値から低下させていくと、燃料ガスのストイキ比が１．０になる手前の段階で高周波位相角θＨは低下し始める。燃料ガスのストイキ比が１．０で維持されている間、高周波位相角θＨは、燃料ガスのストイキ比が１．０より小さいときよりも緩やかに低下していく。これは、高周波位相角θＨの低下を生じさせるカソード側でのカーボンの酸化反応が起こる場が徐々に広がっていくためであると考えられる。このことは、高周波位相角θＨが第２閾値のひとつであるθｓ−γより小さくなっている状態では、燃料電池セル２１のカソード側において、燃料ガスの供給量不足によるカーボンの酸化反応が著しく進行している可能性があることを示している。
【００４８】
第２実施形態の監視処理によれば、高周波位相角が、ステップＳ４０での判定閾値θｓ−γより小さくなくても、ステップＳ３２で、θＨ＜θｓ＋δの関係が満たされたときに、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が不足している状態が検出される。よって、第１実施形態のときよりも、より早期の段階で、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量不足を検出することができるため、より早期に、燃料ガスの供給量不足を解消するための対応措置をとることができる。なお、図６に示すように、δは、判定閾値θｓ＋δが、酸化剤ガスのストイキ比が１．０より小さく、燃料ガスのストイキ比が１．０であるときの高周波位相角に相当する値になるように設定されることが望ましい。
【００４９】
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、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が不足している状態が検出される高周波位相角θＨの範囲が拡大されている。そのため、より早い段階で、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が不足している状態を検出することができる。その他に、第２実施形態の燃料電池監視装置１０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。
【００５０】
３．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。
【００５１】
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】
【００５２】
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、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、６４…冷媒流路、１００…燃料電池システム、２００…外部負荷、Ｚｓ…インピーダンス基準値、θｓ…位相角基準値θ
【図１】
2020087763.tif 000003
【図２】
2020087763.tif 000004
【図３】
2020087763.tif 000005
【図４】
2020087763.tif 000006
【図５】
2020087763.tif 000007
【図６】
2020087763.tif 000008