(57)【要約】【課題】燃料電池の湿潤状態を適切に制御して、燃料電池の出力性能の低下を抑制する。【解決手段】燃料電池のアノード側の触媒電極層に対して燃料ガスを供給させるとともに、カソード側の触媒電極層に対して電気化学反応に供される酸化ガスに替えて非酸化ガスを供給させて、燃料電池セルの状態を電気化学反応が発生しない非電気化学反応状態とし、交流インピーダンス測定装置によって燃料電池セルの交流インピーダンスを測定し、測定した交流インピーダンスから求められる触媒電極層の状態を反映した値に基づいて湿潤状態調整装置によって燃料電池セルの湿潤状態を制御する。【選択図】図１
2010113873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質膜および前記電解質膜の両面に形成された触媒電極で構成される膜電極接合体を有する燃料電池セルを備えた燃料電池と、
前記燃料電池セルの湿潤状態を調整する湿潤状態調整装置と、
前記燃料電池セルの交流インピーダンスを測定する交流インピーダンス測定装置と、
前記燃料電池と前記湿潤状態調整装置と前記交流インピーダンス測定装置の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池のアノード側の触媒電極層に対して燃料ガスを供給させるとともに、カソード側の触媒電極層に対して電気化学反応に供される酸化ガスに替えて非酸化ガスを供給させて、前記燃料電池セルの状態を電気化学反応が発生しない非電気化学反応状態とし、前記交流インピーダンス測定装置によって前記燃料電池セルの交流インピーダンスを測定し、測定した交流インピーダンスから求められる前記触媒電極層の状態を反映した値に基づいて前記湿潤状態調整装置によって前記燃料電池セルの湿潤状態を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記湿潤状態調整装置は、前記非酸化ガスを加湿する非酸化ガス加湿装置を備え、
前記制御装置は、前記非酸化ガス加湿装置による前記非酸化ガスの加湿状態を制御することにより、前記非電気化学反応状態における前記燃料電池セルの湿潤状態を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記湿潤状態調整装置は、前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置を備え、
前記制御装置は、前記燃料ガス加湿装置による前記燃料ガスの加湿状態を制御することにより、前記非電気化学反応状態における前記燃料電池セルの湿潤状態を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記湿潤状態調整装置は、前記非酸化ガスを加湿する非酸化ガス加湿装置および前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置を備え、
前記制御装置は、前記非酸化ガス加湿装置による前記非酸化ガスの加湿状態および前記燃料ガス加湿装置による前記燃料ガスの加湿状態を制御することにより、前記非電気化学反応状態における前記燃料電池セルの湿潤状態を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記触媒電極層の状態を反映した値は、１Ｈｚ以下の交流周波数におけるインピーダンスの変化に基づいて得られる直線状のインピーダンス特性に従って求められる虚インピーダンス成分の値が０となる実インピーダンス成分の値であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記触媒電極層の状態を反映した値は、１Ｈｚ以下の特定の交流周波数における実インピーダンス成分の値であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記触媒電極層の状態を反映した値は、さらに、１００Ｈｚ以上の特定の交流周波数における実インピーダンス成分の値を減算した値であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記１００Ｈｚ以上の特定の交流周波数は、虚インピーダンス成分の値が０となる交流周波数であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池システムの制御方法であって、
燃料電池のアノード側の触媒電極層に対して燃料ガスを供給させるとともに、カソード側の触媒電極層に対して電気化学反応に供される酸化ガスに替えて非酸化ガスを供給させて、燃料電池セルの状態を電気化学反応が発生しない非電気化学反応状態とし、前記燃料電池セルの交流インピーダンスを測定し、測定した交流インピーダンスから求められる前記触媒電極層の状態を反映した値に基づいて前記燃料電池セルの湿潤状態を制御する
ことを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに含まれる膜電極接合体の触媒電極層の劣化に起因して発生する発電性能の低下を低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムには、燃料電池の出力電圧値および出力電流値から求められる燃料電池の内部抵抗値の変化に基づいて、燃料電池に供給される酸素（酸化ガス）の加湿度を制御するものがある（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムは、燃料電池内部の膜電極接合体の湿潤状態を制御することにより、内部抵抗値の増大を抑制して、燃料電池の出力電圧の低下を抑制し、効率の良い発電を可能としようとするものである。
【０００３】
上記従来の燃料電池システムにおいて求められる内部抵抗値の変化には、触媒電極層の電解質膜からの剥離（以下、単に「触媒層剥離」と呼ぶ）や、電解質膜内での剥離、触媒電極層上に形成されたガス拡散層と触媒電極層の接触性の悪化、ガス拡散層の劣化等種々の事象に起因して発生するものが含まれる。
【０００４】
ここで、例えば、触媒層剥離は、それが進行すると、触媒電極層におけるイオン（プロトン）移動に関する抵抗（以下、「触媒層抵抗」とも呼ぶ）値が増大し、燃料電池の出力電圧の低下を招くことになる。触媒層剥離に起因する触媒層抵抗の増加に従って発生する燃料電池の出力電圧の低下は、膜電極接合体の湿潤状態を高めて触媒層抵抗の増加を低減することにより、抑制することができる。
【０００５】
しかし、他の事象、例えば、触媒電極層上に通常設けられるガス拡散層の劣化に起因する抵抗値の増加は、湿潤状態を高めたとしても抑制効果は少ない。すなわち、内部抵抗値の増大の要因によっては、湿潤状態を高めたとしても効果が得られない場合もあり、かえって性能を悪化させてしまう場合もある。
【０００６】
従って、従来の燃料電池システムでは、燃料電池内部の膜電極接合体の湿潤状態を制御することにより、効率の良い発電を行なう上で不十分な点があった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２５２０１１号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９１９９号公報
【特許文献３】特開２００４−１６５０５８号公報
【特許文献４】特開２００７−０３５４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池内部の膜電極接合体の湿潤状態を適切に制御して、燃料電池の出力性能の低下を抑制して運転することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
電解質膜および前記電解質膜の両面に形成された触媒電極で構成される膜電極接合体を有する燃料電池セルを備えた燃料電池と、
前記燃料電池セルの湿潤状態を調整する湿潤状態調整装置と、
前記燃料電池セルの交流インピーダンスを測定する交流インピーダンス測定装置と、
前記燃料電池と前記湿潤状態調整装置と前記交流インピーダンス測定装置の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池のアノード側の触媒電極層に対して燃料ガスを供給させるとともに、カソード側の触媒電極層に対して電気化学反応に供される酸化ガスに替えて非酸化ガスを供給させて、前記燃料電池セルの状態を電気化学反応が発生しない非電気化学反応状態とし、前記交流インピーダンス測定装置によって前記燃料電池セルの交流インピーダンスを測定し、測定した交流インピーダンスから求められる前記触媒電極層の状態を反映した値に基づいて前記湿潤状態調整装置によって前記燃料電池セルの湿潤状態を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
この構成によれば、燃料電池内部の膜電極接合体の湿潤状態を適切に制御して、燃料電池の出力性能の低下を抑制して運転することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【００１１】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記湿潤状態調整装置は、前記非酸化ガスを加湿する非酸化ガス加湿装置を備え、
前記制御装置は、前記非酸化ガス加湿装置による前記非酸化ガスの加湿状態を制御することにより、前記非電気化学反応状態における前記燃料電池セルの湿潤状態を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
この構成によれば、非酸化ガス加湿装置による非酸化ガスの加湿状態を制御することにより、非電気化学反応状態における燃料電池セルの湿潤状態を制御することが可能である。
【００１２】
［適用例３］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記湿潤状態調整装置は、前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置を備え、
前記制御装置は、前記燃料ガス加湿装置による前記燃料ガスの加湿状態を制御することにより、前記非電気化学反応状態における前記燃料電池セルの湿潤状態を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
この構成によれば、燃料ガス加湿装置による燃料ガスの加湿状態を制御することにより、非電気化学反応状態における燃料電池セルの湿潤状態を制御することが可能である。
【００１３】
［適用例４］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記湿潤状態調整装置は、前記非酸化ガスを加湿する非酸化ガス加湿装置および前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置を備え、
前記制御装置は、前記非酸化ガス加湿装置による前記非酸化ガスの加湿状態および前記燃料ガス加湿装置による前記燃料ガスの加湿状態を制御することにより、前記非電気化学反応状態における前記燃料電池セルの湿潤状態を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
この構成によれば、非酸化ガス加湿装置による非酸化ガスの加湿状態および燃料ガス加湿装置による燃料ガスの加湿状態を制御することにより、非電気化学反応状態における燃料電池セルの湿潤状態を制御することが可能である。
【００１４】
［適用例５］
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記触媒電極層の状態を反映した値は、１Ｈｚ以下の交流周波数におけるインピーダンスの変化に基づいて得られる直線状のインピーダンス特性に従って求められる虚インピーダンス成分の値が０となる実インピーダンス成分の値であることを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、触媒電極層の状態を反映した値を求めることができる。
【００１５】
［適用例６］
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記触媒電極層の状態を反映した値は、１Ｈｚ以下の特定の交流周波数における実インピーダンス成分の値であることを特徴とする燃料電池システム。
このようにしても、触媒電極層の状態を反映した値を求めることができる。
【００１６】
［適用例７］
適用例５または適用例６記載の燃料電池システムであって、
前記触媒電極層の状態を反映した値は、さらに、１００Ｈｚ以上の特定の交流周波数における実インピーダンス成分の値を減算した値であることを特徴とする燃料電池システム。
このようにしても、触媒電極層の状態を反映した値を求めることができる。
【００１７】
［適用例８］
適用例７記載の燃料電池システムであって、
前記１００Ｈｚ以上の特定の交流周波数は、虚インピーダンス成分の値が０となる交流周波数であることを特徴とする燃料電池システム。
【００１８】
このようにしても、触媒電極層の状態を反映した値を求めることができる。
［適用例９］
燃料電池システムの制御方法であって、
燃料電池のアノード側の触媒電極層に対して燃料ガスを供給させるとともに、カソード側の触媒電極層に対して電気化学反応に供される酸化ガスに替えて非酸化ガスを供給させて、燃料電池セルの状態を電気化学反応が発生しない非電気化学反応状態とし、前記燃料電池セルの交流インピーダンスを測定し、測定した交流インピーダンスから求められる前記触媒電極層の状態を反映した値に基づいて前記燃料電池セルの湿潤状態を制御する
ことを特徴とする制御方法。
この制御方法によれば、燃料電池セルの湿潤状態を適切に制御して、燃料電池の出力性能の低下を抑制するように制御して燃料電池システムを運転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：
【００２０】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、反応ガス供給装置２０と、交流インピーダンス測定装置３０と、制御装置４０と、を備える。燃料電池１０の正負両極端子には、負荷５０、例えば、インバータを介して接続されるモータ等が接続される。また、燃料電池１０の正負両極端子には、負荷５０に並列に交流インピーダンス測定装置３０が接続される。
【００２１】
図２は、燃料電池１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池１０は、燃料電池セルＣＬ（以下、単に「セル」とも呼ぶ）がセパレータＳＰを介して複数積層されたスタック構造を有している。各セルＣＬは、プロトン伝導性を有する電解質膜１０１の両面に触媒電極層１０２，１０３が形成された膜電極接合体１０４と、膜電極接合体１０４の両面上に配置された拡散層１０５，１０６とから構成されている。なお、電解質膜１０１の一方の面側に形成されている触媒電極層１０２および拡散層１０５がアノードとなり、他方の面側に形成されている触媒電極層１０３および拡散層１０６はカソードとなる。なお、燃料電池の構成はこれに限定されるものではなく、少なくとも、プロトン伝導性を有する電解質膜１０１の両面に触媒電極層１０２，１０３が形成された膜電極接合体１０４を有する燃料電池セルを備えた燃料電池であればよい。
【００２２】
図１の反応ガス供給装置２０は、水素供給部２１と、空気供給部２２と、窒素供給部２３と、切替部２４と、加湿部２５，２６と、を備える。水素供給部２１は、制御装置４０の指示に従って、燃料電池１０のアノードに供給するアノードガスとして、燃料ガスとしての水素を供給する。空気供給部２２は、制御装置４０の指示に従って、燃料電池１０のカソードに供給するカソードガスとして、酸化ガスとしての酸素を含む空気を供給する。窒素供給部２３は、制御装置４０の指示に従って、燃料電池１０のカソードガスとして、酸化ガスを含まない非酸化ガスとしての窒素を供給する。切替部２４は、制御装置４０の指示に従って、燃料電池１０のカソードガスとして、酸化ガスとしての空気または非酸化ガスとしての窒素のいずれかを選択する。なお、通常運転状態では、酸化ガスである空気が選択され、後述する加湿温度調整用運転状態では、非酸化ガスである窒素が選択される。なお、水素供給部２１としては、例えば、圧縮水素タンクおよび水素の供給量を制御する調整弁を用いることにより構成することができる。空気供給部２２は、例えば、エアポンプを用いることにより構成することができる。窒素供給部２３は、例えば、窒素ボンベおよび窒素の供給量を制御する調整弁を用いることにより構成することができる。
【００２３】
加湿部２５は、制御装置４０の指示に従って、燃料電池１０のアノードに供給するアノードガス（水素）の加湿度を制御する。同様に、加湿部２６は、制御装置４０の指示に従って、燃料電池１０のカソードに供給するカソードガス（空気または窒素）の加湿度を制御する。なお、加湿部２５，２６は、加湿用の水蒸気を発生させるための水の加熱温度（「加湿温度」と呼ぶ）を制御することにより加湿度を制御することが可能な加湿器を用いることにより構成することができる。なお、加湿部２５，２６が本実施例における本発明の湿潤状態調整装置に相当する。また、加湿部２５が燃料ガス加湿装置に相当し、加湿部２６が酸化ガス加湿装置および非酸化ガス加湿装置に相当する。
【００２４】
交流インピーダンス測定装置３０は、周波数掃引部３２およびインピーダンス測定部３４を備えている。交流インピーダンス測定装置３０は、制御装置４０の指示に従って、周波数掃引部３２が燃料電池１０の正負両極端子に交流の電圧をその周波数を掃引しつつ入力する際に、インピーダンス測定部３４が正負両極端子間を流れる交流の電流を検出することにより、正負両極端子間の交流インピーダンスを測定する。
【００２５】
制御装置４０は、図示しないＣＰＵおよびメモリ等を備えており、燃料電池システムの動作を制御する種々の機能ブロックとして動作する。なお、図１には、特に、後述する加湿温度調整用運転状態において実行される機能ブロックとして、加湿温度決定部４１、運転条件記憶部４２、加湿制御部４３、および、ガス供給制御部４４が記載されている。加湿温度決定部４１は加湿温度調整処理を担う機能ブロックである。運転条件記憶部４２は運転条件を記憶する機能ブロックである。加湿制御部４３は、加湿温度決定部４１の指示を受けて加湿部２５，２６に指示を与えることにより、加湿部２５，２６の動作を制御する機能ブロックである。ガス供給制御部４４は、加湿温度決定部４１の指示を受けて水素供給部２１、空気供給部２２、窒素供給部２３、および、切替部２４に指示を与えることにより、燃料電池１０へ供給するガスの種類、供給量を制御する機能ブロックである。
【００２６】
図３は、加湿温度決定部４１が実行する加湿温度調整処理の手順を示すフローチャートである。この加湿温度調整処理は、例えば、燃料電池システム１００の起動時において実行される。
【００２７】
加湿温度決定部４１は、加湿温度調整処理を開始すると、まず、燃料電池システム１００の運転条件を運転条件記憶部４２から読み出して取得する（ステップＳ１１０）。運転条件には、アノードガス供給量Ｍａ（Ｌ／ｍｉｎ）およびカソードガス供給量Ｍｃ（Ｌ／ｍｉｎ）や、アノードガス加湿温度Ｔｓａ（℃）およびカソードガス加湿温度Ｔｓｃ（℃）、燃料電池セルのセル温度Ｔｃ（℃）、交流インピーダンス測定時の掃引周波数ω（Ｈｚ）、印加電圧（Ｖ）、触媒層抵抗の初期値Ｒｃｉ（Ω）が含まれている。
【００２８】
次に、燃料電池システムの運転状態を通常運転状態に設定する（ステップＳ１２０）。具体的には、水素供給部２１から供給される水素の供給量がアノードガス供給量Ｍａとなるようにガス供給制御部４４を介して水素供給部２１を制御する。また、ガス供給制御部４４を介して、カソードガスを空気とするように切替部２４を制御するとともに、空気供給部２２から供給される空気の供給量がカソードガス供給量Ｍｃとなるように空気供給部２２を制御する。また、加湿制御部４３を介して加湿部２５の加湿温度をアノードガス加湿温度Ｔｓａに設定し、加湿部２６の加湿温度をカソードガス加湿温度Ｔｓｃに設定する。なお、本例では、Ｍａ＝０．５Ｌ／ｍｉｎ、Ｍｃ＝０．５Ｌ／ｍｉｎ、Ｔｓａ＝４５℃、Ｔｓｃ＝５５℃とする。
【００２９】
そして、温度センサ４５で検出される燃料電池セルの温度Ｔｃが加湿温度調整処理のための条件温度Ｔｃｍｉとなるまで（ステップＳ１４０）、負荷５０の負荷量を暖気運転用の所定の負荷量に設定して、暖機運転を実行する（ステップＳ１３０）。ここでは、条件温度Ｔｃｍｉ＝８０℃とする。
【００３０】
次に、燃料電池セルの温度Ｔｃが条件温度Ｔｃｍｉとなった場合には、燃料電池システムの運転状態を通常運転状態から加湿温度調整用運転状態に変更する（ステップＳ１５０）。具体的には、ガス供給制御部４４を介して、カソードガスを窒素とするように切替部２４を制御するとともに、窒素供給部２３から供給される窒素の供給量がカソードガス供給量Ｍｃとなるように窒素供給部２３を制御する。なお、空気供給部２２および加湿部２５，２６の制御は通常運転状態と同じとする。この場合、燃料電池１０は電気化学反応が発生しない状態（非電気化学反応状態）となる。
【００３１】
そして、交流インピーダンス測定装置３０によって交流インピーダンスの測定を行い、測定結果から触媒層抵抗Ｒｃｍを求める（ステップＳ１６０）。触媒層抵抗Ｒｃｍは、具体的には、以下で説明するようにして求められる。まず、交流インピーダンス測定装置３０のインピーダンス測定部３４が、燃料電池１０の正負両極間にＶｉｎ＝０．５Ｖ±５０ｍＶの交流信号を印加して、周波数掃引部がその周波数ωを０．１Ｈｚ〜１０ｋＨｚまで掃引する。このとき、インピーダンス測定部３４が、燃料電池１０の電圧および電流を計測することによって、各周波数での燃料電池１０のインピーダンスを測定する。そして、加湿温度決定部４１は、交流インピーダンス測定装置３０から出力された測定結果、すなわち、交流インピーダンスの測定値から触媒層抵抗Ｒｃｍを導き出す。
【００３２】
図４は、燃料電池の非電気化学反応状態における交流インピーダンスと触媒層抵抗の関係を示した説明図である。図４は、横軸を交流インピーダンスＺの実部ＲｅＺ（実インピーダンス成分）［Ω］、縦軸を虚部−ＩｍＺ（虚インピーダンス成分）［Ω］とする複素平面を表している。燃料電池１０を非電気化学反応状態とした場合における交流インピーダンスは、周波数ωを０から無限大∞にむかって掃引することによって、図４に示すような軌跡を描く。具体的には、交流インピーダンスは、周波数ωがωｃｍｐ以下の低周波領域においては、虚部−ＩｍＺ、すなわち、容量成分が支配的となってほほ直線的に変化する。また、周波数ωがωｃｍｐ以上の高周波領域においては、虚部−ＩｍＺおよび実部ＲｅＺの両方が同程度に変化し、周波数ωが無限大∞において、虚部−ＩｍＺはほぼ無視され、実部ＲｅＺ、すなわち、抵抗成分がほぼ一定の値となる。
【００３３】
燃料電池１０の正負両極間の交流インピーダンスは、図２に示した構造からわかるように、電解質膜、触媒層、拡散層、および、セパレータのそれぞれのインピーダンスを合成したものである。
【００３４】
ここで、電解質膜、拡散層、および、セパレータは、非電気化学反応状態においては、周波数に依存せず、一定の抵抗成分（実部ＲｅＺ）Ｒｏｔｒのみで表される。従って、図４に示した交流インピーダンスにおいて、ω＝無限大∞における実部ＲｅＺの値Ｚ１が、触媒層を除く他の層のインピーダンス（以下、「非触媒層抵抗」と呼ぶ）Ｒｏｔｒとなる。
【００３５】
一方、触媒層は、並列な２つの抵抗、具体的には、電子の電導による抵抗成分（以下、「電子抵抗」と呼ぶ）、および、陽イオンの移動による抵抗成分（以下、「イオン抵抗」と呼ぶ）と、これらの抵抗間に存在する容量成分（以下、「触媒層容量」と呼ぶ）とで表されると考えられる。ただし、電子抵抗は、イオン抵抗に比べて非常に小さいため、無視することができ、触媒層は、イオン抵抗（以下、「触媒層抵抗」と呼ぶ）と触媒層容量とで表されるとして良いと考えられる。従って、触媒層のインピーダンスは、周波数の逆数に比例して、周波数ωが小さくなるほど虚部−ＩｍＺの値が大きくなり、周波数ωが大きくなるほど虚部−ＩｍＺの値が小さくなるものである。すなわち、触媒層のインピーダンスにおいて、低周波領域の実部ＲｅＺの値は、触媒層抵抗Ｒｃｍの値を表していると考えられる。ただし、燃料電池１０の交流インピーダンスには、上記非触媒層抵抗Ｒｏｔｒが含まれているので、この場合の低周波領域の実部ＲｅＺの値は、触媒層抵抗Ｒｃｍと非触媒層抵抗Ｒｏｔｒの合成値であると考えられる。
【００３６】
以上の点を考慮すると、測定した交流インピーダンスから、以下のように触媒層抵抗Ｒｃｍの値を求めることができる。すなわち、測定した交流インピーダンスの低周波領域の変化から、近似直線（図４に一点鎖線で示す）を求める。そして、求めた近似直線が実部ＲｅＺを表す横軸と交わる点の値Ｚ２を求める。この求めた値Ｚ２が、触媒層抵抗Ｒｃｍと非触媒層抵抗Ｒｏｔｒの合成値と考えられる。そして、この合成値Ｚ２から非触媒層抵抗Ｒｏｔｒの値を示す値Ｚ１を減算することにより、触媒層抵抗Ｒｃｍの値を求めることができる。
【００３７】
なお、上記したように、周波数掃引の最高周波数ωｍａｘは１０ｋＨｚとしているため、非触媒層抵抗Ｒｏｔｒの値を示す値Ｚ１は最高周波数ωｍａｘ＝１０ｋＨｚの交流インピーダンスの実部ＲｅＺの値とするものとする。これは、周波数ωが１００Ｈｚ以上において測定された交流インピーダンスの実部ＲｅＺの値がほぼ同じであることが実験的に求められていることから、周波数掃引の最高周波数ωｍａｘを１０ｋＨｚとすれば十分であると判断したからである。また、周波数掃引の最低周波数ωｍｉｎは０．１Ｈｚとしているが、これは、周波数ωｃｍｐの値は、１Ｈｚ以上であることが実験的に求められていることから、周波数掃引の最低周波数ωｍｉｎを０．１Ｈｚとすれば十分であると判断したからである。
【００３８】
次に、測定した触媒層抵抗Ｒｃｍが触媒層抵抗Ｒの初期値Ｒｃｉより大きいか否か判断する（ステップＳ１７０）。測定した触媒層抵抗Ｒｃｍが触媒層抵抗の初期値Ｒｃｉよりも大きい場合には、触媒層剥離が進行して触媒層抵抗が増大していると判断し、加湿制御部４３を介して加湿部２５および加湿部２６の加湿温度をそれぞれ１℃上昇させる（ステップＳ１８０）。そして、触媒層抵抗Ｒｃｍが触媒層抵抗の初期値Ｒｃｉ以下となるまで、触媒層抵抗Ｒｃｍの測定（ステップＳ１６０）および加湿温度の上昇（ステップＳ１８０）を繰り返し実行する。
【００３９】
一方、測定した触媒層抵抗Ｒｃｍが触媒層抵抗の初期値Ｒｃｉ以下の場合には、現在の時点で加湿部２５，２６に設定されている加湿温度を、新たなアノードガス加湿温度Ｔｓａおよびカソードガス加湿温度Ｔｓｃに決定し、運転条件記憶部４２に記憶されている値を更新する（ステップＳ１９０）。
【００４０】
最後に、運転状態を加湿温度調整用運転状態から通常運転状態に戻し（ステップＳ２００）、この処理を終了する。
【００４１】
通常運転状態では、上記処理によって決定された加湿温度で加湿部２５，２６が動作し、触媒層抵抗Ｒｃｍが初期値Ｒｃｍｉとなるように燃料電池セルＣＬの湿潤状態が制御されて、燃料電池の出力性能が維持されるように動作する。
【００４２】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムにおいては、燃料電池システム１００の起動時において、加湿温度調整処理を実行することにより、燃料電池１０に供給するアノードガスおよびカソードガスの加湿温度を調整して、燃料電池１０の初期時において測定された触媒層抵抗Ｒｃｍの初期値Ｒｃｍｉと同じ触媒層抵抗Ｒｃｍの値で燃料電池１０が運転されるようにすることができる。これにより、触媒電極層の剥離が発生しても、燃料電池の出力性能の低下を抑制して運転を継続することができる。従って、燃料電池内部の膜電極接合体の湿潤状態を適切に制御して、燃料電池の出力性能の低下を抑制して運転することが可能である。
【００４３】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例は、第１実施例で説明した加湿温度調整処理のステップＳ１６０（図３）で行なわれる交流インピーダンスの測定が、以下で説明する相違点を除いて全く同じであるので、以下では相違点についてのみ説明する。
【００４４】
図５は、第２実施例において測定される交流インピーダンスと触媒層抵抗の関係を示した説明図である。図５は、図４と同様に、横軸を交流インピーダンスＺの実部ＲｅＺ［Ω］、縦軸を虚部−ＩｍＺ［Ω］とする複素平面を表している。
【００４５】
第１実施例で説明したように、交流インピーダンスは、周波数ωがωｃｍｐ以下の低周波領域においては、周波数の逆数に比例して、周波数が小さくなるほど虚部−ＩｍＺの値が大きくなり、直線的に変化する（図４，５に破線で示す）。従って、この低周波領域の変化に対応する近似直線（図５に一点鎖線で示す）を求めて、触媒層抵抗Ｒｃｍと非触媒層抵抗Ｒｏｔｒとの合成値を求めるためには、周波数ωがωｃｍｐ以下の低周波領域のうち、少なくとも２点の周波数で交流インピーダンスを測定すればよい。
【００４６】
そこで、本実施例では、図５に示すように、ωｃｍｐ＝１Ｈｚ以下の低周波領域のうち周波数ωがω１＝０．１Ｈｚおよびω２＝０．８Ｈｚの２点で測定した交流インピーダンスの値から近似直線（図５に一点鎖線で示す）を求める。そして、触媒層抵抗Ｒｃｍと非触媒層抵抗Ｒｏｔｒの合成値として、求めた近似直線が実部ＲｅＺを表す横軸と交わる点の値Ｚ２を求めることとした。
【００４７】
また、第１実施例で説明したように、非触媒層抵抗Ｒｏｔｒは、周波数ωが１００Ｈｚ以上において測定された交流インピーダンスの実部ＲｅＺの値がほぼ同じである。従って、非触媒層抵抗Ｒｏｔｒを求めるためには、少なくとも１００Ｈｚ以上の高周波領域の１点で交流インピーダンスを測定すればよい。
【００４８】
そこで、本実施例では、図５に示すように、周波数ωがωｃｍｐよりも大きい高周波領域のうち、ωｍａｘ＝１０ｋＨｚの１点で交流インピーダンスを測定し、測定した交流インピーダンスの実部ＲｅＺの値を非触媒層抵抗Ｒｏｔｒの値を示す値Ｚ１とすることとした。
【００４９】
本実施例においても、燃料電池システム１００の起動時において、加湿温度調整処理を実行することにより、アノードガスおよびカソードガスの加湿温度を調整して、燃料電池１０の初期時において測定された触媒層抵抗Ｒｃｍの初期値Ｒｃｍｉと同じ触媒層抵抗Ｒｃｍの値で燃料電池１０が運転されるようにすることができる。また、触媒電極層の剥離が発生しても、燃料電池の出力性能の低下を抑制して運転を継続することができる。従って、燃料電池内部の膜電極接合体の湿潤状態を適切に制御して、燃料電池の出力性能の低下を抑制して運転することが可能である。従って、燃料電池内部の膜電極接合体の湿潤状態を適切に制御して、燃料電池の出力性能の低下を抑制して運転することが可能である。また、本実施例では、３点の周波数で交流インピーダンスを測定するのみであるので、第１実施例の場合よりも、交流インピーダンスの測定時間を短縮することが可能であり、燃料電池システムにおける処理の簡素化を図ることが可能である。
【００５０】
Ｃ．第３実施例：
第３実施例も、第１実施例で説明した加湿温度調整処理のステップＳ１６０（図３）で行なわれる交流インピーダンスの測定が、以下で説明する相違点を除いて全く同じであるので、以下では相違点についてのみ説明する。
【００５１】
図６は、第３実施例において測定される交流インピーダンスと触媒層抵抗の関係を示した説明図である。図６は、図４と同様に、横軸を交流インピーダンスＺの実部ＲｅＺ［Ω］、縦軸を虚部−ＩｍＺ［Ω］とする複素平面を表している。
【００５２】
第２実施例では、触媒層抵抗Ｒｃｍと非触媒層抵抗Ｒｏｔｒとの合成値を求めるために導出される低周波領域の変化に対応する近似直線を、周波数ωがω１以下の２つの周波数ω１，ω２で測定した交流インピーダンスから求めることとしている。一方、本実施例は、図６に示すように、低周波領域の１つの周波数ω２で交流インピーダンスの値を求めるものである。そして、求めた交流インピーダンスの実部ＲｅＺの値Ｚ２を、触媒層抵抗Ｒｃｍと非触媒層抵抗Ｒｏｔｒとの合成値を示す値とするものである。本実施例の場合には、求めた値Ｚ２は、測定する周波数に依存して変化するため、これに基づいて求められる触媒層抵抗Ｒｃｍと非触媒層抵抗Ｒｏｔｒとの合成値の精度が低下し、触媒層抵抗Ｒｃｍの値の精度が低下することになる。しかしながら、触媒電極層の剥離の進行に応じて発生する触媒層抵抗の増加を検出することは可能である。
【００５３】
従って、本実施例においても、燃料電池システム１００の起動時において、加湿温度調整処理を実行することにより、アノードガスおよびカソードガスの加湿温度を調整して、燃料電池の組み立て初期時において測定された触媒層抵抗Ｒｃｍの初期値Ｒｃｍｉと同じ触媒層抵抗Ｒｃｍの値で燃料電池１０が運転されるように制御することができる。また、これにより、触媒電極層の剥離が発生しても、燃料電池の出力性能の低下を抑制して運転を継続することができる。従って、燃料電池内部の膜電極接合体の湿潤状態を適切に制御して、燃料電池の出力性能の低下を抑制して運転することが可能である。また、本実施例では、２点の周波数で交流インピーダンスを測定するのみであるので、第１実施例および第２実施例の場合よりも、さらに、交流インピーダンスの測定時間を短縮することが可能であり、燃料電池システムにおける処理の簡素化を図ることが可能である。
【００５４】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５５】
（１）上記各実施例では、燃料電池システム１００の起動時において、加湿温度決定部４１が動作して、加湿温度調整処理が実行されるものとして説明しているが、種々のタイミングにおいて加湿温度決定部４１が動作して、加湿温度調整処理が実行されるものとしてもよい。例えば、出力電圧をモニタして、所定の負荷において発生する出力電圧が所定の電圧よりも低下した場合において、負荷５０に電力を供給しないアイドリング時において、実行されるようにしてもよい。また、燃料電池システム１００のメンテナンス時においては、メンテナンスの実行者が図示しない入力手段を介して制御装置４０に対して加湿温度調整処理の指示を行なった際に、加湿温度決定部４１が動作して、加湿温度調整処理が実行されるものとしもよい。
【００５６】
また、例えば、燃料電池システム１００のメンテナンス時においては、十分な時間が確保可能であることから、第１実施例のようにして交流インピーダンスを測定し、起動時においては、時間の短縮のために、第２実施例や第３実施例のようにして交流インピーダンスを測定して、触媒層抵抗を求めるようにしてもよい。
【００５７】
（２）上記実施例では、加湿温度調整処理を実行する前に暖気運転を実行して、燃料電池セルの温度Ｔｃが加湿温度調整処理のための条件温度Ｔｃｍｉとなるように制御するものとして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池１０を加熱するヒータを設けて、燃料電池セルの温度Ｔｃが加湿温度調整処理のための条件温度Ｔｃｍｉとなるように制御するようにしてもよい。すなわち、燃料電池セルの温度Ｔｃが加湿温度調整処理のための条件温度Ｔｃｍｉとなるように制御できればどのような構成をとってもよい。
【００５８】
（３）上記実施例では、アノードガスおよびカソードガスの両方の加湿温度を変化させる構成を例に説明したが、いずれか一方のガスの加湿温度を変化させる構成としてもよい。ただし、アノードガスのみの場合には、アノード側の触媒電極層の剥離に対しては効果が大きいが、カソード側の触媒電極層の剥離に対しては効果が小さくなる。同様に、カソードガスのみの場合には、カソード側の触媒電極層の剥離に対しては効果が大きいが、アノード側の触媒電極層の剥離に対しては効果が小さくなる。
【００５９】
（４）上記実施例では、触媒層抵抗の変化に応じて、供給ガスの加湿温度を変化させることにより燃料電池の湿潤状態を変化させる構成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、冷媒温度を変化させて燃料電池セル温度を変化させることにより燃料電池の湿潤状態を変化させる構成、カソードガス流量を変化させることにより燃料電池の湿潤状態を変化させる構成、出力電流を変化させて電気化学反応の結果生成される水の量を変化させることにより燃料電池の湿潤状態を変化させる構成、排ガスの背圧を変化させて排出される水の量を変化させることにより燃料電池の湿潤状態を変化させる構成等種々の湿潤状態調整装置が可能である。すなわち、触媒層抵抗の変化に応じて、燃料電池の湿潤状態を変化させることが湿潤状態調整装置であればどのような構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１０の概略構成を示す説明図である。
【図３】加湿温度決定部４１が実行する加湿温度調整処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池の非電気化学反応状態における交流インピーダンスと触媒層抵抗の関係を示した説明図である。
【図５】第２実施例において測定される交流インピーダンスと触媒層抵抗の関係を示した説明図である。
【図６】第３実施例において測定される交流インピーダンスと触媒層抵抗の関係を示した説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
１００…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…反応ガス供給装置
２１…水素供給部
２２…空気供給部
２３…窒素供給部
２４…切替部
２５…加湿部
２６…加湿部
３０…交流インピーダンス測定装置
３２…周波数掃引部
３４…インピーダンス測定部
４０…制御装置
４１…加湿温度決定部
４２…運転条件記憶部
４３…加湿制御部
４４…ガス供給制御部
４５…温度センサ
５０…負荷
１００…燃料電池システム
１０１…電解質膜
１０２…触媒電極層
１０３…触媒電極層
１０４…膜電極接合体
１０５…拡散層
１０６…拡散層
ＣＬ…燃料電池セル
ＳＰ…セパレータ
【図１】
2010113873.tif 000003
【図２】
2010113873.tif 000004
【図３】
2010113873.tif 000005
【図４】
2010113873.tif 000006
【図５】
2010113873.tif 000007
【図６】
2010113873.tif 000008