(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を容易に推定する。【解決手段】燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する推定方法は、触媒担持担体と電解質からなる第１の触媒層が電解質膜上に配置されている第１の膜電極接合体を準備する工程と、２つの層からなる触媒層であって、電解質膜に接する一方の層が触媒非担持担体と電解質からなり、他方の層が触媒担持担体と電解質からなる第２の触媒層を有する第２の膜電極接合体を準備する工程と、第１の膜電極接合体と第２の膜電極接合体の交流インピーダンスをそれぞれ測定する工程と、第１の膜電極接合体と第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いて、第２の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する抵抗推定工程と、を備える。【選択図】図４
2010272225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する推定方法であって、
触媒担持担体と電解質からなる第１の触媒層が電解質膜上に配置されている第１の膜電極接合体を準備する工程と、
２つの層からなる触媒層であって、電解質膜に接する一方の層が触媒非担持担体と電解質からなり、他方の層が触媒担持担体と電解質からなる第２の触媒層を有する第２の膜電極接合体を準備する工程と、
前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスをそれぞれ測定する工程と、
前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いて、前記第２の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する抵抗推定工程と、を備える推定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の推定方法において、
前記抵抗推定工程は、前記第１の膜電極接合体の交流インピーダンスの値と、前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスの値との差に基づいて前記プロトン移動抵抗を推定する推定方法。
【請求項３】
燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する抵抗推定装置であって、
前記燃料電池は、
触媒担持担体と電解質からなる第１の触媒層が電解質膜上に配置されている第１の膜電極接合体と、
２つの層からなる触媒層であって、電解質膜に接する一方の層が触媒非担持担体と電解質からなり、他方の層が触媒担持担体と電解質からなる第２の触媒層を有する第２の膜電極接合体と、を備え、
前記抵抗推定装置は、
前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスをそれぞれ測定する測定部と、
前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いて、前記第２の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する抵抗推定部と、を備える抵抗推定装置。
【請求項４】
燃料電池の状態を推定する推定方法であって、
触媒担持担体と電解質からなる第１の触媒層が電解質膜上に配置されている第１の膜電極接合体と、２つの層からなる触媒層であって、電解質膜に接する一方の層が触媒非担持担体と電解質からなり、他方の層が触媒担持担体と電解質からなる第２の触媒層を有する第２の膜電極接合体と、を備える前記燃料電池を準備する工程と、
前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスをそれぞれ測定する工程と、
前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いて、前記第２の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する工程と、
前記プロトン移動抵抗に基づいて、前記燃料電池の状態を推定する工程と、を備える推定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の推定方法において、
前記燃料電池の状態とは、前記燃料電池の内部の湿潤状態である推定方法。
【請求項６】
燃料電池の状態を推定する状態推定装置であって、
前記燃料電池は、
触媒担持担体と電解質からなる第１の触媒層が電解質膜上に配置されている第１の膜電極接合体と、
２つの層からなる触媒層であって、電解質膜に接する一方の層が触媒非担持担体と電解質からなり、他方の層が触媒担持担体と電解質からなる第２の触媒層を有する第２の膜電極接合体と、を備え、
前記状態推定装置は、
前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスをそれぞれ測定する測定部と、
前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いて、前記第２の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する抵抗推定部と、
前記プロトン移動抵抗に基づいて、前記燃料電池の状態を推定する状態推定部と、を備える状態推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する推定方法、および、推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の交流インピーダンスを測定し、交流インピーダンスから燃料電池における各種抵抗等（例えば、電解質膜の膜抵抗や、電気二重層容量、反応抵抗等）を推定する技術が知られている。（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６５８９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定することは困難であった。
【０００５】
本発明は、上記した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされた発明であり、燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を容易に推定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために本願発明は以下の態様を採る。
【０００７】
第１の態様は、燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する推定方法を提供する。第１の態様に係る推定方法は、触媒担持担体と電解質からなる第１の触媒層が電解質膜上に配置されている第１の膜電極接合体を準備する工程と、２つの層からなる触媒層であって、電解質膜に接する一方の層が触媒非担持担体と電解質からなり、他方の層が触媒担持担体と電解質からなる第２の触媒層を有する第２の膜電極接合体を準備する工程と、前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスをそれぞれ測定する工程と、前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いて、前記第２の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する抵抗推定工程と、を備える。
【０００８】
第１の態様に係る推定方法によれば、第１の膜電極接合体と第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いることにより、燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を容易に推定することができる。
【０００９】
第１の態様に係る推定方法において、前記抵抗推定工程は、前記第１の膜電極接合体の交流インピーダンスの値と、前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスの値との差に基づいて前記プロトン移動抵抗を推定してもよい。この場合、第１の膜電極接合体の交流インピーダンスの値と第２の膜電極接合体の交流インピーダンスの値との差に基づいて燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を容易に推定することができる。
【００１０】
第２の態様は、燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する抵抗推定装置を提供する。前記燃料電池は、触媒担持担体と電解質からなる第１の触媒層が電解質膜上に配置されている第１の膜電極接合体と、２つの層からなる触媒層であって、電解質膜に接する一方の層が触媒非担持担体と電解質からなり、他方の層が触媒担持担体と電解質からなる第２の触媒層を有する第２の膜電極接合体と、を備え、
第２の態様に係る抵抗推定装置は、前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスをそれぞれ測定する測定部と、前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いて、前記第２の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する抵抗推定部と、を備える。
【００１１】
第２の態様に係る抵抗推定装置によれば、第１の膜電極接合体と第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いることにより、燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を容易に推定することができる。
【００１２】
第３の態様は、燃料電池の状態を推定する推定方法を提供する。第３の態様に係る推定方法は、触媒担持担体と電解質からなる第１の触媒層が電解質膜上に配置されている第１の膜電極接合体と、２つの層からなる触媒層であって、電解質膜に接する一方の層が触媒非担持担体と電解質からなり、他方の層が触媒担持担体と電解質からなる第２の触媒層を有する第２の膜電極接合体と、を備える前記燃料電池を準備する工程と、前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスをそれぞれ測定する工程と、前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いて、前記第２の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する工程と、前記プロトン移動抵抗に基づいて、前記燃料電池の状態を推定する工程と、を備える。
【００１３】
第３の態様に係る推定方法によれば、第１の膜電極接合体と第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いることにより推定されたプロトン移動抵抗に基づいて、燃料電池の状態を推定することができる。
【００１４】
第３の態様に係る推定方法において、前記燃料電池の状態とは、前記燃料電池の内部の湿潤状態であってもよい。この場合、第１の膜電極接合体と第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いることにより推定されたプロトン移動抵抗に基づいて、燃料電池の内部の湿潤状態を推定することができる。
【００１５】
第４の態様は、燃料電池の状態を推定する状態推定装置を提供する。前記燃料電池は、触媒担持担体と電解質からなる第１の触媒層が電解質膜上に配置されている第１の膜電極接合体と、２つの層からなる触媒層であって、電解質膜に接する一方の層が触媒非担持担体と電解質からなり、他方の層が触媒担持担体と電解質からなる第２の触媒層を有する第２の膜電極接合体と、を備え、
第４の態様に係る状態推定装置は、前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスをそれぞれ測定する測定部と、前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いて、前記第２の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する抵抗推定部と、前記プロトン移動抵抗に基づいて、前記燃料電池の状態を推定する状態推定部と、を備える。
【００１６】
第４の態様に係る状態推定装置によれば、第１の膜電極接合体と第２の膜電極接合体の交流インピーダンスを用いることにより推定されたプロトン移動抵抗に基づいて、燃料電池の状態を推定することができる。
【００１７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、抵抗推定装置もしくは状態推定装置を備える燃料電池としても実現できるほか、燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗もしくは燃料電池の状態を推定する推定方法および推定装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム等の態様で実現できる。さらに、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。また、本発明に係る燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗もしくは燃料電池の状態を推定する推定方法および推定装置は、適宜、他の部材と組み合わせて適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施例に係るプロトン移動抵抗推定システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１燃料電池セルＣＬ１の概略構成を表わす断面模式図である。
【図３】第２燃料電池セルＣＬ２の概略構成を表わす断面模式図である。
【図４】プロトン移動抵抗推定処理のフローチャートである。
【図５】第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２についての複素インピーダンスプロットを例示した説明図である。
【図６】第１燃料電池セルＣＬ１の積層方向の電流の流れを説明するための説明図である。
【図７】第２燃料電池セルＣＬ２の積層方向の電流の流れを説明するための説明図である。
【図８】第２実施例に係る燃料電池状態推定システム１１０の概略構成を示す図である。
【図９】燃料電池状態推定処理のフローチャートである。
【図１０】触媒層のプロトン移動抵抗と燃料電池の出力との関係を例示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
【００２０】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．プロトン移動抵抗推定システムの構成：
図１は、第１実施例に係るプロトン移動抵抗推定システム１００の概略構成を示す説明図である。本実施例のプロトン移動抵抗推定システム１００は、抵抗推定装置１０と、配線１５と、配線１６と、配線１７とを備えている。
【００２１】
抵抗推定装置１０は、測定部１２と、抵抗推定部１３とを備えている。本実施例では、測定部１２および抵抗推定部１３は、図示しないメモリに格納されているプログラムを図示しないＣＰＵが実行することにより実現される。なお、測定部１２および抵抗推定部１３は、本実施例のように、ソフトウエア的な態様で実現することができるほか、集積回路等によるハードウエア的な態様でも実現することができる。
【００２２】
測定部１２は、燃料電池ＮＤに配線１５を介して、燃料電池ＮＤに交流電流を流し、配線１６を介して、燃料電池ＮＤにおける後述の第１燃料電池セルＣＬ１の交流インピーダンスを測定する。また、測定部１２は、配線１７を介して、後述の第２燃料電池セルＣＬ２の交流インピーダンスを測定する。抵抗推定部１３は、測定部１２による第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２の各交流インピーダンスの測定結果から、燃料電池ＮＤの触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する。この詳細については、後述のプロトン移動抵抗推定処理で説明する。また、抵抗推定装置１０は、図示しない表示部を備えており、プロトン移動抵抗推定処理による推定結果を表示部に表示する。
【００２３】
燃料電池ＮＤは、固体高分子型の燃料電池であり、酸化ガス（例えば、空気）と、燃料ガス（例えば、水素）とを用いて、発電を行う。燃料電池ＮＤは、複数の第１燃料電池セルＣＬ１と、１つの第２燃料電池セルＣＬ２と、２つのエンドプレートＥＰと、２つのターミナルＴＭと、を備えている。第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２は、ターミナルＴＭを挟んで、２つのエンドプレートＥＰによって挟持されている。燃料電池ＮＤは、複数の第１燃料電池セルＣＬ１と１つの第２燃料電池セルＣＬ２とが、積層された層状構造を有している。また、燃料電池ＮＤは、テンションプレート（図示せず）がボルト（図示せず）によって各エンドプレートＥＰに結合されることによって、各燃料電池セルＣＬを、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。なお、本実施例では、燃料電池ＮＤは、複数の第１燃料電池セルＣＬ１と、１つの第２燃料電池セルＣＬ２を有している例で説明するが、燃料電池ＮＤは、第１燃料電池セルＣＬ１が１つであってもよいし、第２燃料電池セルＣＬ２を２以上有していてもよい。燃料電池ＮＤにおいて、第１燃料電池セルＣＬ１と第２燃料電池セルＣＬ２との積層される位置関係には特に限定はない。また、燃料電池ＮＤは、ターミナルＴＭとエンドプレートＥＰとの間に、絶縁を確保するためインシュレータを備えていてもよい。
【００２４】
図２は、第１燃料電池セルＣＬ１の概略構成を表わす断面模式図である。第１燃料電池セルＣＬ１は、電解質膜２０、アノード２１、カソード２２、ガス拡散層２３，２４、セパレータ２５，２６と、を備える。
【００２５】
電解質膜２０は、固体高分子材料である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り、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。なお、電解質膜２０は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。
【００２６】
アノード２１およびカソード２２は、電解質膜２０上に形成された電極層であり、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）と、によって構成することができる。具体的には、触媒担持カーボン粒子および高分子電解質を含有する電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜２０上に塗布し、乾燥・固着させることにより形成することができる。なお、アノード２１、または、カソード２２に含まれる電解質は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。以下において、電解質膜２０と、アノード２１およびカソード２２とから成る積層体を、膜電極接合体（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ））２８と呼ぶ。カソード２２は、特許請求の範囲における「第１の触媒層」に該当する。膜電極接合体２８は、特許請求の範囲における「第１の膜電極接合体」に該当する。
【００２７】
ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材により形成することができる。セパレータ２５，２６は、ガス不透過の導電性部材によって形成されており、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成することができる。セパレータ２５，２６は、表面にガス流路を形成するための凹凸形状を有している。セパレータ２５は、ガス拡散層２３との間に、水素を含有する燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路３０を形成する。また、セパレータ２６は、ガス拡散層２４との間に、酸素を含有する酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路３１を形成する。
【００２８】
図３は、第２燃料電池セルＣＬ２の概略構成を表わす断面模式図である。第２燃料電池セルＣＬ２は、電解質膜２０、アノード２１、カソード４０、ガス拡散層２３，２４、セパレータ２５，２６と、を備える。第２燃料電池セルＣＬ２は、第１燃料電池セルＣＬ１と比較してカソード４０の構成が異なるが、それ以外の部分、すなわち、電解質膜２０、アノード２１、ガス拡散層２３，２４、セパレータ２５，２６については第１燃料電池セルＣＬ１と同様である。
【００２９】
第２燃料電池セルＣＬ２のカソード４０は、第１の層４１および第２の層４２の２つの層を備える。第１の層４１は、電解質膜２０上に形成され、電気化学反応を進行する触媒金属を担持していないカーボン粒子（触媒非担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）と、によって構成されている。第２の層４２は、第１の層４１上に形成された電極層であり、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）と、によって構成されている。具体的には、触媒を担持していないカーボン粒子および高分子電解質を含有する電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜２０上に塗布し、乾燥・固着させた後、さらにその上に、触媒担持カーボン粒子および高分子電解質を含有する電極ペーストを塗布し、乾燥・固着させることにより形成することができる。なお、アノード２１、または、カソード４０に含まれる電解質は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。以下において、電解質膜２０と、アノード２１およびカソード４０とから成る積層体を、膜電極接合体（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ））４８と呼ぶ。カソード４０は、特許請求の範囲における「第２の触媒層」に該当する。膜電極接合体４８は、特許請求の範囲における「第２の膜電極接合体」に該当する。
【００３０】
プロトン移動抵抗推定システム１００において抵抗推定装置１０は、配線１５を介して、ターミナルＴＭに接続されると共に、配線１６を介して、第１燃料電池セルＣＬ１のセパレータ２５、２６に接続されている。燃料電池ＮＤにおいて、第１燃料電池セルＣＬ１が複数ある場合には、いずれの第１燃料電池セルＣＬ１と接続されていてもよい。また、配線１７を介して、第２燃料電池セルＣＬ２のセパレータ２５、２６に接続される。燃料電池ＮＤにおいて、第２燃料電池セルＣＬ２が２以上ある場合には、いずれの第２燃料電池セルＣＬ２と接続されていてもよい。抵抗推定装置１０は、以下に示すプロトン移動抵抗推定処理を実行する。
【００３１】
Ａ２．プロトン移動抵抗推定処理：
図４は、プロトン移動抵抗推定処理のフローチャートである。プロトン移動抵抗推定処理は、第２燃料電池セルＣＬ２のカソード４０におけるプロトン移動抵抗を推定（検出）するための処理である。
【００３２】
抵抗推定装置１０は、第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２の交流インピーダンスを検出する（ステップＳ１０）。具体的には、抵抗推定装置１０は、燃料電池ＮＤに対して周波数を所定間隔で変化させつつ交流電流を流し、各周波数における第１燃料電池セルＣＬ１（具体的には、ＭＥＡ２８）の交流インピーダンスと、第２燃料電池セルＣＬ２（具体的には、ＭＥＡ４８）の交流インピーダンスを検出（測定）する。
【００３３】
図５は、第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２についての複素インピーダンスプロットを例示した説明図である。図５において、縦軸は、交流インピーダンスの虚部値Ｚ２を表しており、以下では、虚部軸とも呼ぶ。横軸は、交流インピーダンスの実部値Ｚ１を表しており、以下では、実部軸とも呼ぶ。この複素インピーダンスプロットは、虚部軸と実部軸とで形成される平面（以下では、複素平面とも呼ぶ）において、抵抗推定装置１０が検出（測定）した各周波数における交流インピーダンスの実部値Ｚ１および虚部値Ｚ２との関係が示されている。図５において、黒抜き四角形は第１燃料電池セルＣＬ１における各周波数のインピーダンス測定点を示している。また、白抜き四角形は第２燃料電池セルＣＬ２における各周波数のインピーダンス測定点を示している。第１燃料電池セルＣＬ１と第２燃料電池セルＣＬ２のカソードの違いにより、同じ周波数におけるインピーダンス測定点であってもそれぞれの実部値が異なることがわかる。
【００３４】
抵抗推定装置１０は、第１燃料電池セルＣＬ１の交流インピーダンスと、第２燃料電池セルＣＬ２の交流インピーダンスから触媒層のプロトン移動抵抗を検出（測定）する（ステップＳ２０）。具体的には、抵抗推定装置１０は、周波数が１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲、望ましくは、５００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲において検出される第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２のインピーダンス測定点のそれぞれの実部値（抵抗値）の差から第２燃料電池セルＣＬ２のカソード４０のプロトン移動抵抗を検出（測定）する。すなわち、第１燃料電池セルＣＬ１における抵抗値Ｒ１と第２燃料電池セルＣＬ２の抵抗値Ｒ２との差である抵抗値Ｒｄを第２燃料電池セルＣＬ２のカソード４０における第１の層４１部分のプロトン移動抵抗値として推定する。そして、カソード４０と、第１の層４１との厚さ方向（積層方向）の比をかけることにより、カソード４０のプロトン移動抵抗を検出（測定）する。抵抗値Ｒｄを第１の層４１のプロトン移動抵抗値として推定するための根拠は後述する。
【００３５】
なお、本実施例では、第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２についてそれぞれ複数のインピーダンス測定点を検出しているが、１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲、望ましくは、５００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲におけるインピーダンス測定点が第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２についてそれぞれ１つずつあれば第２燃料電池セルＣＬ２のカソード４０のプロトン移動抵抗を推定することができる。プロトン移動抵抗を推定するために用いる周波数を１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲、望ましくは、５００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲に限定するのは、これ以外の低周波領域ではガス拡散抵抗等の影響を含む虞があり、プロトン移動抵抗を推定するのに適していないためである。
【００３６】
抵抗値Ｒｄを第２燃料電池セルＣＬ２のカソード４０における第１の層４１部分のプロトン移動抵抗として推定することができる根拠について説明する。図６は、第１燃料電池セルＣＬ１の積層方向の電流の流れを説明するための説明図である。図６に示すように、第１燃料電池セルＣＬ１の積層方向における抵抗値Ｒ１には、カソード２２の触媒担持担体ｓｃ中を電子が移動する際の抵抗値である電気抵抗値Ｒ１ｃのほかに、アノード２１の電気抵抗値Ｒ１ａ、セパレータ２５、２６の電気抵抗値Ｒ１ｓ、ガス拡散層２３、２４の電気抵抗値Ｒ１ｇ、電解質膜２０のプロトン移動抵抗値Ｒ１ｅ、さらに、それぞれの接触抵抗の合計値である接触抵抗値Ｒ１ｔなどが含まれている。
【００３７】
図７は、第２燃料電池セルＣＬ２の積層方向の電流の流れを説明するための説明図である。図７に示すように、第２燃料電池セルＣＬ２の第１の層４１部分は触媒金属ｃａを有していない触媒非担持担体ｎｓｃと電解質ｅｌにより構成されているため、電子の移動は生じない。そのため、第２燃料電池セルＣＬ２の積層方向における抵抗値Ｒ２には、カソード４０の第１の層４１部分の電解質ｅｌ中をプロトンが移動する際の抵抗値であるプロトン移動抵抗値Ｒ２ｐと第２の層４２部分の触媒担持担体ｓｃ中を電子が移動する際の抵抗値である電気抵抗値Ｒ２ｃのほかに、アノード２１の電気抵抗値Ｒ２ａ、セパレータ２５、２６の電気抵抗値Ｒ２ｓ、ガス拡散層２３、２４の電気抵抗値Ｒ２ｇ、電解質膜２０のプロトン移動抵抗値Ｒ２ｅ、さらに、それぞれの接触抵抗値Ｒ２ｔなどが含まれている。
【００３８】
第２燃料電池セルＣＬ２の抵抗値Ｒ２から第１燃料電池セルＣＬ１の抵抗値Ｒ１を差し引くことにより、アノード２１の電気抵抗値Ｒ１ａとＲ２ａ、セパレータ２５、２６の電気抵抗値Ｒ１ｓとＲ２ｓ、ガス拡散層２３、２４の電気抵抗値Ｒ１ｇとＲ２ｇ、電解質膜２０のプロトン移動抵抗値Ｒ１ｅとＲ２ｅ、さらに、接触抵抗値Ｒ１ｔとＲ２ｔなどがそれぞれキャンセルされる。これにより、抵抗値Ｒ２と抵抗値Ｒ１との差は、カソード４０の第１の層４１部分のプロトン移動抵抗値Ｒ２ｐと、カソード４０の第２の層４２の電気抵抗値Ｒ２ｃからカソード２２の電気抵抗値Ｒ１ｃを差し引いた値（Ｒ２ｃ−Ｒ１ｃ）との和となる。カソードの電気抵抗はプロトン移動抵抗に比べて１／１０程度であることから、Ｒ２ｃ−Ｒ１ｃの値は、プロトン移動抵抗値Ｒ２ｐに比べて小さく、無視することができる。よって、抵抗値Ｒ２から抵抗値Ｒ１を差し引いた値である抵抗値Ｒｄは、プロトン移動抵抗値Ｒ２ｐであるといえる。なお、カソード２２とカソード４０との厚さが等しくない場合には、カソード２２の抵抗値に対してカソード２２とカソード４０との厚さの比率をかけた後、上記差し引きをおこなうことで、プロトン移動抵抗値Ｒ２ｐを算出することができる。
【００３９】
以上説明した第１実施例に係るプロトン移動抵抗の推定方法によれば、第１燃料電池セルＣＬ１（具体的には、ＭＥＡ２８）と第２燃料電池セルＣＬ２（具体的には、ＭＥＡ４８）の交流インピーダンスを用いることにより、燃料電池ＮＤの触媒層におけるプロトン移動抵抗を容易に推定することができる。具体的には、図５に示す、第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２のインピーダンス測定点のそれぞれの実部値（抵抗値）の差である抵抗値Ｒｄを第２燃料電池セルＣＬ２のカソード４０における第１の層４１部分のプロトン移動抵抗値として推定することで、抵抗値Ｒｄに、カソード４０と第１の層４１との厚さ方向（積層方向）の比をかけることにより、容易にカソード４０のプロトン移動抵抗を推定することができる。
【００４０】
また、カソード４０のプロトン移動抵抗を推定する方法として、図５に示すような複素インピーダンスプロットに対して等価回路を用いたフィッティングをおこない、論理関数から推定をおこなう手法が存在するが、面内において電解質や触媒等の分布が異なるような電極サイズが大きい燃料電池では、等価回路とのずれが大きくなり、プロトン移動抵抗を算出することが困難であった。しかし、本発明による推定方法よれば、面内の分布に関係なくプロトン移動抵抗を容易に推定することができる。
【００４１】
第１実施例に係るプロトン移動抵抗を推定する抵抗推定装置１０によれば、第１燃料電池セルＣＬ１（具体的には、ＭＥＡ２８）と第２燃料電池セルＣＬ２（具体的には、ＭＥＡ４８）の交流インピーダンスを用いることにより、燃料電池ＮＤの触媒層におけるプロトン移動抵抗を容易に推定することができる。具体的には、測定部１２により、第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２の交流インピーダンスを測定し、抵抗推定部１３により、それぞれのインピーダンス測定点の実部値（抵抗値）の差である抵抗値Ｒｄを第２燃料電池セルＣＬ２のカソード４０における第１の層４１部分のプロトン移動抵抗値として推定するため、容易にカソード４０のプロトン移動抵抗を推定することができる。
【００４２】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、燃料電池の触媒層におけるプロトン移動抵抗を推定する方法および抵抗推定装置について説明したが、第２実施例では、推定した触媒層のプロトン移動抵抗を用いて燃料電池の状態を推定する推定方法および燃料電池の状態推定装置について説明する。
【００４３】
Ｂ１．燃料電池状態推定システムの構成：
図８は、第２実施例に係る燃料電池状態推定システム１１０の概略構成を示す図である。本実施例の燃料電池状態推定システム１１０は、状態推定装置１１と、配線１５と、配線１６と、配線１７とを備えている。配線１５と、配線１６と、配線１７は、燃料電池ＮＤに対して第１実施例と同様に接続されている。燃料電池ＮＤは第１実施例と同様であるため説明を省略する。
【００４４】
状態推定装置１１は、測定部１２と、抵抗推定部１３と、状態推定部１４とを備えている。測定部１２および抵抗推定部１３については、第１実施例と同様であるため説明を省略する。状態推定部１４は、測定部１２および抵抗推定部１３と同様に、図示しないメモリに格納されているプログラムを図示しないＣＰＵが実行することにより実現される。なお、状態推定部１４は、本実施例のように、ソフトウエア的な態様で実現することができるほか、集積回路等によるハードウエア的な態様でも実現することができる。
【００４５】
状態推定部１４は、抵抗推定部１３により推定された触媒層のプロトン移動抵抗から燃料電池ＮＤの状態を推定する。この詳細については、後述の燃料電池状態推定処理で説明する。また、状態推定装置１１は、燃料電池状態推定処理による推定結果を表示するための表示部を備えていてもよい。
【００４６】
Ｂ２．燃料電池状態推定処理：
図９は、燃料電池状態推定処理のフローチャートである。燃料電池状態推定処理は、燃料電池ＮＤの状態を推定（検出）するための処理である。状態推定装置１１は、第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２の交流インピーダンスを検出し（ステップＳ１０）、第１燃料電池セルＣＬ１の交流インピーダンスと、第２燃料電池セルＣＬ２の交流インピーダンスから触媒層のプロトン移動抵抗を検出（測定）する（ステップＳ２０）。ステップＳ１０およびステップＳ２０は第１実施例と同様であるため説明を省略する。
【００４７】
状態推定装置１１は、触媒層のプロトン移動抵抗に基づいて燃料電池ＮＤの状態を推定する（ステップＳ３０）。具体的には、状態推定装置１１は、推定した触媒層のプロトン移動抵抗から燃料電池ＮＤの内部の湿潤状態を推定する。すなわち、プロトン移動抵抗値から燃料電池ＮＤの内部においてドライアップが生じているか否かを推定する。本実施例では、状態推定装置１１は、推定したプロトン移動抵抗値と閾値とを比較して、プロトン移動抵抗が閾値以上である場合には、燃料電池ＮＤの内部においてドライアップが生じていると推定する。触媒層のプロトン移動抵抗値を用いて燃料電池ＮＤのドライアップを検出する利点について以下に述べる。
【００４８】
図１０は、触媒層のプロトン移動抵抗と燃料電池の出力との関係を例示した説明図である。図１０に示すように、燃料電池ＮＤは高温運転により内部でドライアップが生じ、出力が低下し始めると、触媒層中のプロトン移動抵抗は増加率ｔ１で増加する。これは、電解質膜２０のプロトン移動抵抗の増加率ｔ２のおよそ１０倍程度であるために抵抗値の増加を容易に検出することができる。ドライアップを検出することで、カソード背圧を上昇させる等の制御をおこない、出力低下を抑制することができる。
【００４９】
以上説明した第２実施例に係るプロトン移動抵抗の推定方法によれば、第１燃料電池セルＣＬ１（具体的には、ＭＥＡ２８）と第２燃料電池セルＣＬ２（具体的には、ＭＥＡ４８）の交流インピーダンスを用いることにより推定されたプロトン移動抵抗に基づいて、燃料電池ＮＤの状態を推定することができる。具体的には、燃料電池ＮＤの内部においてドライアップが生じると、触媒層中のプロトン移動抵抗が増加する。そのため、プロトン移動抵抗値と閾値とを比較し、プロトン移動抵抗が閾値以上である場合には、燃料電池ＮＤの内部においてドライアップが生じていると推定することができる。
【００５０】
第２実施例に係るプロトン移動抵抗を推定する状態推定装置１１によれば、第１燃料電池セルＣＬ１（具体的には、ＭＥＡ２８）と第２燃料電池セルＣＬ２（具体的には、ＭＥＡ４８）の交流インピーダンスを用いることにより推定されたプロトン移動抵抗に基づいて、燃料電池ＮＤの状態を推定することができる。具体的には、状態推定装置１１は、測定部１２により、第１燃料電池セルＣＬ１および第２燃料電池セルＣＬ２の交流インピーダンスを測定し、抵抗推定部１３により、それぞれのインピーダンス測定点の実部値（抵抗値）の差である抵抗値Ｒｄを第２燃料電池セルＣＬ２のカソード４０における第１の層４１部分のプロトン移動抵抗値として推定することができる。また、状態推定部１４により、推定したプロトン移動抵抗値と閾値とを比較して、プロトン移動抵抗が閾値以上である場合には、燃料電池ＮＤの内部においてドライアップが生じていると推定することができる。
【００５１】
また、図５に示すように、燃料電池ＮＤのドライアップにより出力低下が生じている場合には、触媒層中のプロトン移動抵抗の増加率は、電解質膜２０のプロトン移動抵抗の増加率のおよそ１０倍程度であるため、本発明に係る推定方法もしくは状態推定装置によれば、ドライアップに伴う抵抗値の増加を容易に検出することができる。抵抗の絶対値そのものが大きければ、計測に必要な交流電流値を下げることができ、計測機器の小型化や低コストが可能となる。また、高い検出精度を必要としないため装置のコストを抑制することができる。
【００５２】
Ｃ．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。
【００５３】
Ｃ１．変形例１：
本実施例では、第２燃料電池セルＣＬ２のカソード４０は、第１の層４１および第２の層４２の２つの層を備える態様として説明したが、これ以外の態様であってもよい。具体的には、第１の層４１が電解質膜２０と接していて、第２の層４２が、第１の層４１を介して電解質膜２０と反対側に形成されていれば、カソード４０は、例えば、第１の層４１と第２の層４２との間や、ガス拡散層２４と第２の層４２との間にこれら以外の層を備えていてもよい。
【００５４】
Ｃ２．変形例２：
第２実施例では、状態推定装置１１は、推定した触媒層のプロトン移動抵抗値と閾値と比較してドライアップを判定しているが、例えば、プロトン移動抵抗値の単位時間当たりの変化量と閾値とを比較する態様であってもよい。
【００５５】
Ｃ３．変形例３：
本実施例では、抵抗推定装置１０および状態推定装置１１についてそれぞれ説明したが、抵抗推定装置１０および状態推定装置１１の少なくとも一方の機能を備えた燃料電池システムとしても実施することができる。
【００５６】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００５７】
１０…抵抗推定装置
１１…状態推定装置
１２…測定部
１３…抵抗推定部
１４…状態推定部
１５，１６，１７…配線
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３，２４…ガス拡散層
２５，２６…セパレータ
２８…膜電極接合体
３０…セル内燃料ガス流路
３１…セル内酸化ガス流路
４０…カソード
４１…第１の層
４２…第２の層
４８…膜電極接合体
１００…プロトン移動抵抗推定システム
１１０…燃料電池状態推定システム
ＮＤ…燃料電池
ＣＬ…燃料電池セル
ＴＭ…ターミナル
ＥＰ…エンドプレート
ＣＬ１…第１燃料電池セル
ＣＬ２…第２燃料電池セル
【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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