(57)【要約】【課題】劣化検知に最適な湿潤状態となったことを判定し、これをもって上記不都合を抑制できる劣化検知技術を有する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１００に第１周波数の交流信号を印加する第１印加部(Ｓ１０５)と、第１周波数の交流信号及び燃料電池スタックの出力信号に基づいて電解質膜のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部(Ｓ１０６)と、検出インピーダンス及び基準インピーダンスに基づいて劣化度合を検出する劣化検出部(Ｓ１０９)と、を備えた燃料電池システムにおいて、第１周波数よりも低い第２周波数の交流信号を印加する第２印加部(Ｓ１０５)と、第２周波数の交流信号及び燃料電池スタックの出力信号の位相角を検出する位相角検出部(Ｓ１０８)と、を備え、劣化検出部(Ｓ１０９)は、位相角検出部で検出された位相角に基づいて化検出を開始する。【選択図】図８
2014207049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を介して、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに第１周波数の交流信号を印加する第１印加部と、
前記第１周波数の交流信号及び前記燃料電池スタックの出力信号に基づいて電解質膜のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
前記検出インピーダンス及び基準インピーダンスに基づいて劣化度合を検出する劣化検出部と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記第１周波数よりも低い第２周波数の交流信号を印加する第２印加部と、
前記第２周波数の交流信号及び前記燃料電池スタックの出力信号の位相角を検出する位相角検出部と、
を備え、
前記劣化検出部は、前記位相角検出部で検出された位相角に基づいて、劣化検出を開始する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第２周波数は、湿潤変化に応じて位相角が変化する周波数である、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタックの湿潤状態をウェットに変更するウェット運転部と、
最初の位相角を基準位相角として設定する基準位相角設定部と、
を備え、
前記劣化検出部は、ウェット変更後の位相角と基準位相角との偏差に基づいて、劣化検出を開始する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタックの湿潤状態をウェットに変更するウェット運転部と、
ウェット運転した場合であって、前記第１周波数のインピーダンス検出値が所定値よりも小さくなったときの位相角を基準位相角として設定する基準位相角設定部と、
を備え、
前記劣化検出部は、ウェット変更後の位相角と基準位相角との偏差に基づいて、劣化検出を開始する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタックの湿潤状態をウェットに変更するウェット運転部と、
ウェット運転中の前記第１周波数のインピーダンス検出値の最小値を基準位相角として設定する基準位相角設定部と、
を備え、
前記劣化検出部は、ウェット変更後の位相角と基準位相角との偏差に基づいて、劣化検出を開始する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記位相角検出部は、燃料電池の出力電流が所定値よりも大きいときに位相角を検出する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記インピーダンス検出部で検出したインピーダンスが目標値になるように燃料電池スタックを運転する運転部を備え、
前記目標値は、前記劣化検出部で検出した劣化度合が大きくなるほど、大きく設定される、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、経時的な劣化による燃料電池スタックの接触抵抗の増加を検出するシステムを開示する。具体的には、燃料電池スタックの内部を湿潤状態に制御する。そして十分に湿潤状態になったときのインピーダンスと、基準インピーダンスとの差に基づいて燃料電池スタックの接触抵抗の増加を検出する。十分な湿潤状態であるか否かは、湿潤状態を変化させてもインピーダンスの変化が小さいことをもって判断される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８２６８２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、インピーダンスの変化が小さいという判断では、判定基準値の設定が難しい。判定基準値によっては湿潤不足により精度良い接触抵抗の検知ができない可能性がある。また、確実に湿潤させるには、水が多すぎてフラッディングする可能性もある。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、劣化検知に最適な湿潤状態となったことを判定し、これをもって上記不都合を抑制できる劣化検知技術を有する燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、電解質膜を介して、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに第１周波数の交流信号を印加する第１印加部と、前記第１周波数の交流信号及び前記燃料電池スタックの出力信号に基づいて電解質膜のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、前記検出インピーダンス及び基準インピーダンスに基づいて劣化度合を検出する劣化検出部と、を備える。そしてさらに、前記第１周波数よりも低い第２周波数の交流信号を印加する第２印加部と、前記第２周波数の交流信号及び前記燃料電池スタックの出力信号の位相角を検出する位相角検出部と、を備える。そして、前記劣化検出部は、前記位相角検出部で検出された位相角に基づいて、劣化検出を開始する。
【発明の効果】
【０００８】
第２周波数における位相角は、湿潤するにつれて、大きくなる。この態様では、この位相角に基づいて湿潤状態を判定し、十分に湿潤していると判定されたときのインピーダンスと、基準インピーダンスとから、接触抵抗の増加を検出するので、湿潤不足による誤検出や、過湿潤によるフラッディングを防止でき、接触抵抗(劣化度合)を精度よく検出できる。
【０００９】
本発明の実施形態、本発明の利点は、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるアノードガス脈動供給システムの概略構成図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックを説明する図である。
【図３】図３は、燃料電池スタックの一例を示す斜視図である。
【図４】図４は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【図５】図５は、燃料電池スタックの内部を湿潤させたときのインピーダンスの変化を示す図である。
【図６】図６は、燃料電池スタックの等価回路を示す図である。
【図７】図７は、燃料電池の電流に対する電圧降下代を示す図である。
【図８】図８は、接触抵抗変化(劣化)検出ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】図９は、基準位相角設定ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、接触抵抗が変化した後の湿潤制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、燃料電池スタックの発電特性(ＩＶ特性)を示す図である。
【図１２】図１２は、第２実施形態の基準位相角設定ルーチンを示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、第３実施形態の基準位相角設定ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
はじめに実施形態の理解を容易にするために、本発明による燃料電池システムを用いるアノードガス脈動供給システムについて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態によるアノードガス脈動供給システムの概略構成図である。
【００１３】
アノードガス脈動供給システム１は、燃料電池スタック１００と、カソードガス給排装置３と、アノードガス給排装置４と、スタック冷却装置６と、コントローラー７と、を備える。
【００１４】
燃料電池スタック１００には、複数枚の発電セル１０が積層されている。燃料電池スタック１００は、アノードガス及びカソードガスが供給されて、車両の駆動に必要な電力(たとえばモーターを駆動するために必要な電力)を発電する。
【００１５】
カソードガス給排装置３は、カソードガス供給流路３１と、フィルター３２と、カソードコンプレッサー３３と、カソードガス排出通路３５と、カソード調圧弁３６と、を備える。
【００１６】
カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１００に供給するカソードガスが流れる通路である。
【００１７】
フィルター３２は、カソードガスとしての空気(外気)から異物を取り除く。フィルター３２を通過したカソードガスが、カソードガス供給通路３１を流れる。
【００１８】
カソードガス供給通路３１の途中に、カソードコンプレッサー３３が配置される。
【００１９】
カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１００から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１００のカソード排出口２２ｂに接続されるとともに、下流端が大気に開放する。
【００２０】
カソード調圧弁３６は、カソードガス排出通路３５に配置される。カソード調圧弁３６は、カソードコンプレッサー３３から供給されるカソードガスを所望の圧力に調節する。カソード調圧弁３６の構造は公知であるので、詳細な説明は省略するが、ハウジングに内蔵されたバタフライタイプの弁体が、モーターで駆動される。カソード調圧弁３６の開度は、コントローラー７によって制御される。
【００２１】
アノードガス給排装置４は、高圧タンク４１と、アノードガス供給通路４２と、アノード調圧弁４３と、アノードガス排出通路４５と、パージ通路４６と、パージ弁４７と、バッファータンク４００と、を備える。
【００２２】
高圧タンク４１は、燃料電池スタック１００に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００２３】
アノードガス供給通路４２は、高圧タンク４１のアノードガスを燃料電池スタック１００に供給するための通路である。アノードガス供給通路４２は、高圧タンク４１と、燃料電池スタック１００のアノード供給口２１ａと、に接続される。
【００２４】
アノード調圧弁４３は、アノードガス供給通路４２に設けられる。アノード調圧弁４３は、高圧タンク４１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節する。アノード調圧弁４３は、連続的又は段階的に開度が調節される電磁弁である。アノード調圧弁４３の開度は、コントローラー７によって制御される。
【００２５】
アノードガス排出通路４５は、燃料電池スタック１００のアノード排出口２１ｂと、バッファータンク４００と、に接続される。アノードガス排出通路４５には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノード側へ透過してきた窒素や水蒸気などの不活性ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という）が流れる。
【００２６】
バッファータンク４００は、アノードガス排出通路４５を流れたアノードオフガスを一旦蓄える。燃料電池スタック１００の内部のアノード圧が低下すれば、バッファータンク４００のアノードガスが逆流して燃料電池スタック１００に供給される。
【００２７】
パージ通路４６は、アノードガス排出通路４５と、カソードガス排出通路３５と、に接続される。
【００２８】
パージ弁４７は、パージ通路４６に設けられる。パージ弁４７は、全開又は全閉に調節される電磁弁である。パージ弁４７は、コントローラー７によって制御される。パージ弁４７が開かれると、バッファータンク４００のアノードオフガスが、パージ通路４６を流れて、カソードガス排出通路３５のカソードオフガスと混合して外気へ排出される。このように、アノードオフガスをカソードオフガスに混合させて外気に排出することで、外気排出ガス中のアノードガス濃度が可燃濃度よりも低くしている。
【００２９】
またバッファータンク４００のアノードオフガスを外気へ排出することで、バッファータンク４００内のアノードガス濃度を調節する。バッファータンク４００内のアノードガス濃度(水素濃度)が低すぎると、アノードガスを脈動供給する運転において電極反応に使用されるアノードガスが不足する。このようになっては、発電効率が低下するとともに、燃料電池が劣化するおそれがある。一方で、バッファータンク４００内のアノードガス濃度(水素濃度)が高すぎると、パージ通路４６を介してアノードオフガス中の不活性ガスとともに外気へ排出されるアノードガスの量が多くなるので、燃費が悪化する。そこで、バッファータンク４００内のアノードガス濃度が、発電効率及び燃費を考慮して適切な値になるように、パージ弁４７が開閉される。
【００３０】
スタック冷却装置６は、燃料電池スタック１００を冷却し、燃料電池スタック１００を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置６は、冷却水循環通路６１と、ラジエーター６２と、バイパス通路６３と、三方弁６４と、冷却水ポンプ６５と、ＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)ヒーター６６と、を備える。
【００３１】
冷却水循環通路６１は、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水が循環する通路である。冷却水循環通路６１は、燃料電池スタック１００の冷却水供給口２３ａと冷却水排出口２３ｂとに接続される。以下では、冷却水循環通路６１のうち、冷却水排出口２３ｂ側を上流側、冷却水供給口２３ａ側を下流側として説明する。
【００３２】
ラジエーター６２は、冷却水循環通路６１に設けられる。ラジエーター６２は、燃料電池スタック１００から排出された冷却水を冷却する。
【００３３】
バイパス通路６３は、冷却水がラジエーター６２をバイパスできるようにする。バイパス通路６３は、冷却水循環通路６１と三方弁６４とに接続される。
【００３４】
三方弁６４は、ラジエーター６２よりも下流側の冷却水循環通路６１に設けられる。三方弁６４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が高ければ、三方弁６４は、冷却水がラジエーター６２を流れるように切り替える。冷却水の温度が低ければ、三方弁６４は、冷却水がバイパス通路６３を流れるように切り替える。
【００３５】
冷却水ポンプ６５は、三方弁６４よりも下流側の冷却水循環通路６１に設けられる。冷却水ポンプ６５は、冷却水を循環させる。
【００３６】
ＰＴＣヒーター６６は、バイパス通路６３に設けられる。ＰＴＣヒーター６６は、燃料電池スタック１００の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。
【００３７】
コントローラー７は、アノード調圧弁４３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる。アノード調圧弁４３が開かれてアノードガスが供給されると、アノード圧が上昇する。アノード調圧弁４３が閉じられると、発電反応によってアノードガスが消費されて、アノード圧が下降する。このように圧力を変動させる運転が脈動供給運転といわれる。またコントローラー７は、バッファータンク４００内のアノードガス濃度を所望の濃度に保つように、パージ弁３８の開度を調節してバッファータンク４００から排出するアノードオフガスの流量を調節する。
【００３８】
脈動供給運転することで、電解質膜１１１を介してカソード側からアノード側に透過してきた窒素等の不純ガスを、バッファータンク４００に押し込むことができる。この結果、不純ガスがアノード流路内に蓄積されて電極反応が阻害されることを抑制でき、安定した発電を実施できる。
【００３９】
図２は、燃料電池スタックを説明する図であり、図２(Ａ)は外観斜視図、図２(Ｂ)は発電セルの構造を示す分解図である。
【００４０】
図２(Ａ)に示されるように、燃料電池スタックは、積層された複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、を備える。燃料電池スタックは、直方体である。
【００４１】
発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述される。
【００４２】
集電プレート２０は、一対であり、積層された複数の発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンや金属材料などで形成される。
【００４３】
一方の集電プレート２０(図２(Ａ)では、左手前の集電プレート２０)には、短辺に沿って、アノード供給口２１ａと、アノード排出口２１ｂと、カソード供給口２２ａと、カソード排出口２２ｂと、冷却水供給口２３ａと、冷却水排出口２３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード供給口２１ａ、冷却水供給口２３ａ及びカソード排出口２２ｂは図中右側に設けられる。またカソード供給口２２ａ、冷却水排出口２３ｂ及びアノード排出口２１ｂは図中左側に設けられる。
【００４４】
アノード供給口２１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口２２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。
【００４５】
図２(Ｂ)に示されるように、発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレーター(アノードバイポーラープレート)１２ａ及びカソードセパレーター(カソードバイポーラープレート)１２ｂが配置される構造である。
【００４６】
ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２が形成される。この電極触媒層１１２の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３が形成される。
【００４７】
電極触媒層１１２は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。
【００４８】
ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。
【００４９】
アノード供給口２１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口２１ｂから排出される。
【００５０】
カソード供給口２２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口２２ｂから排出される。
【００５１】
アノードセパレーター１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の裏面)に重ねられる。カソードセパレーター１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の表面)に重ねられる。シール１４(１４ａ，１４ｂ)は、たとえばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム(ethylene propylene diene monomer；ＥＰＤＭ)、フッ素ゴムなどのゴム状弾性材である。アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂは、たとえばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応ガス流路が形成され、その反対面に反応ガス流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図２(Ｂ)に示すようにアノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂが重ねられて、冷却水流路が形成される。
【００５２】
ＭＥＡ１１、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂには、それぞれ孔２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口(アノード供給マニホールド)２１ａ、アノード排出口(アノード排出マニホールド)２１ｂ、カソード供給口(カソード供給マニホールド)２２ａ、カソード排出口(カソード排出マニホールド)２２ｂ、冷却水供給口(冷却水供給マニホールド)２３ａ及び冷却水排出口(冷却水排出マニホールド)２３ｂが形成される。
【００５３】
なお図２では、表側の集電プレート２０に、アノード供給口２１ａ、アノード排出口２１ｂ、カソード供給口２２ａ、カソード排出口２２ｂ、冷却水供給口２３ａ、冷却水排出口２３ｂが設けられている場合を例示したが、これには限られない。たとえば、アノード排出口２１ｂ、カソード排出口２２ｂ、冷却水排出口２３ｂが、裏側の集電プレート２０に設けられてもよい。図１のアノードガス脈動供給システムでは、そのようなタイプが用いられる。
【００５４】
図３は燃料電池スタックの一例を示す斜視図であり、図３(Ａ)は分解状態を示し、図３(Ｂ)はアッセンブリー状態を示す。
【００５５】
燃料電池スタック１００は、所定枚数の発電セル１０の周囲を締結プレート１２２及び補強プレート１２３で挟んだ構造である。
【００５６】
発電セル１０は、ＭＥＡモジュール１１の裏表両面にセパレーター１２(アノードセパレーター１２ａ，カソードセパレーター１２ｂ)が配置された構造である。
【００５７】
発電セル１０の積層方向(押圧方向)の両端には、一対の集電プレート２１が配置される。そして一方の集電プレート２１(図２(Ａ)では奥の集電プレート２１)にスペーサー２１が配置される。さらにこの両外側にはエンドプレート１２１が配置される。エンドプレート１２１は金属製又は樹脂製である。そして発電セル１０の周囲に、薄板製の締結プレート１２２及び補強プレート１２３が配置される。
【００５８】
そして、エンドプレート１２１、締結プレート１２２及び補強プレート１２３がボルト１２４で締結される。
【００５９】
このようにして、図２(Ｂ)に示すような燃料電池スタック１００が構成される。なお、ボルト１２４の本数及びボルト穴の位置は一例である。
【００６０】
図４は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【００６１】
燃料電池スタック１００は、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１００は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。そのうちの１枚のＭＥＡが図４(Ａ)に示される。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)、対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)、対角側から排出される(アノードアウト)、という例が示されている。
【００６２】
各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。
【００６３】
【化１】
2014207049.tif 000003
【００６４】
図４(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ2)がカソード流路を流れるにつれて上式(1-2)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。
【００６５】
上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。電解質膜中の水分が少なく電解質膜の湿潤度が小さすぎれば上記反応が促進されない。反対に、電解質膜中の水分が多すぎれば、余剰の水分が反応ガス流路に溢れてしまって、ガスの流れが阻害される。このような場合も上記反応が促進されない。したがって電解質膜が適度な湿潤状態であることで、効率よく発電される。
【００６６】
電解質膜の湿潤状態は、たとえば公知の交流インピーダンス法を用いて求められたＨＦＲ(High Frequency Resistance)に基づいて検出される。燃料電池スタック１００の出力電流に高周波の交流電流を重畳したときの燃料電池スタック１００の電圧値を電圧センサーによって検出し、その電圧値に基づいて重畳した交流電流の電圧振幅を演算し、その電圧振幅を重畳した交流電流の電流振幅で割ることでインピーダンス(ＨＦＲ)が算出される。インピーダンス(ＨＦＲ)が大きいほど、電解質膜が乾燥している。なお、インピーダンス(ＨＦＲ)の算出方法は上記方法に限られず、例えば本出願人が出願した特開２０１２−０５４１５３号公報に記載された方法を用いてもよい。
【００６７】
ところで燃料電池スタックは、劣化するにつれて、内部の抵抗が増えることが発明者らによって知見された。この内部抵抗の変化を考慮しなければ、正確なＨＦＲを検出できない。内部抵抗が変化する原因について、発明者らは、以下のように考察した。すなわち、燃料電池スタックには、高圧のアノードガスが脈動供給され、スタック内部の圧力が変動する。すると経時的にＭＥＡ(電解質膜１１１，電極触媒層１１２，ＧＤＬ１１３)に、へたりが生じて、内部の接触抵抗が大きくなるのである。
【００６８】
特開２００８−２８２６８２号公報では、インピーダンスがほとんど変化しない状態になるまで、燃料電池スタックの内部を湿潤させる。すなわちインピーダンスは、図５に示されるように、湿潤状態に応じて変化するが、湿潤度が高くなると飽和する。この状態のインピーダンスと基準インピーダンスとの差に基づいて燃料電池スタックの接触抵抗の増加を検出する。
【００６９】
しかしながら、このような手法では、インピーダンスがほとんど変化しない状態であるか否かを判定するための判定基準値の設定が難しい。判定基準値によっては十分な湿潤状態でない可能性がある。その一方で、確実に湿潤させるために水が過剰になってしまってフラッディングする可能性もある。
【００７０】
そこで、本実施形態では、燃料電池スタックの接触抵抗の増加の検出を適切なタイミングで実行できる手法を提供する。最初に、本実施形態の理解を容易にすべく、基本的なコンセプトについて説明する。
【００７１】
ますはじめに発明者は、図６のように燃料電池スタックの等価回路を設定した。
【００７２】
すなわち、電圧に対して直列に電解質膜抵抗が接続され、さらに並列に反応抵抗及び電気二重層容量が接続され、さらに接触抵抗が接続される。
【００７３】
このような回路では、高周波(たとえば１０００Ｈｚ)の交流信号(交流電流)を与えることで、電気二重層容量が導通状態になる。すると、反応抵抗にはほとんど導通がなくなり、膜抵抗と接触抵抗とが直列接続された部分のインピーダンスが検出される。交流信号(交流電流)の周波数を下げるにつれて、電気二重層容量側に交流電流が流れにくくなり、反応抵抗も導通するようになる。このため入力信号に対する出力信号の位相遅れが大きくなる。このような関係をボード線図に示すと図７になる。通常の湿潤状態であれば、反応抵抗が小さく(たとえば０．１Ω程度)、このときの特性は、破線のようになる。これに対して、過湿潤状態であれば、反応抵抗が大きく(たとえば０．５Ω程度)、このときの特性は、実線のようになる。なお過湿潤状態では、水分が多く、酸素が電解質膜に届きにくくなって反応しにくくなるため、反応抵抗が大きくなる。
【００７４】
このボード線図から明らかなように、インピーダンス(ＨＦＲ)を検出するときの第１周波数(たとえば１０００Ｈｚ)よりも低い第２周波数で、位相遅れが顕著に変化する。
【００７５】
そこで本実施形態では、第２周波数の交流信号を印加したときの位相遅れに基づいて、湿潤状態を判定し、そのときのインピーダンスと基準インピーダンスとの差に基づいて燃料電池スタックの接触抵抗の増加を検出するようにしたのである。
【００７６】
図８は、接触抵抗変化(劣化)検出ルーチンを示すフローチャートである。
【００７７】
ステップＳ１０１においてコントローラーは、水温が所定水温よりも高いか否かを判定する。水温が低ければ、温度変化によって反応抵抗が大きく変わるので、測定の信頼性が劣る。そこで温度が安定する領域であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１０２へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。
【００７８】
ステップＳ１０２においてコントローラーは、接触抵抗を検出するタイミングであるか否かを判定する。接触抵抗の変化は、徐々に生じるものであるから、頻繁に検出されなくてもよい。たとえば、月に１，２度程度の検出でよい。そこで、ある程度の期間をおいて判定すればよい。また燃料電池スタックの発電積算時間に基づいて判定してもよい。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１０３へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。
【００７９】
ステップＳ１０３においてコントローラーは、燃料電池の電解質膜の状態がウェット状態になるようにウェット運転を開始する。具体的には、燃料電池スタックからの排水量が少なくなるように制御する。そのためには、たとえば冷却水ポンプ６５の回転を上げて冷却水の流量を増やして燃料電池スタックの温度を下げればよい。またカソードコンプレッサー３３の回転を下げてカソードガスの流量を減らしてもよい。またカソード調圧弁３６の開度を小さくしてカソードガスの圧力を上げてもよい。これらを適宜組み合わせてもよい。このようにして、ウェット運転が実行される。
【００８０】
ステップＳ１０４においてコントローラーは、燃料電池スタックに供給するアノードガスの濃度を上昇させる。このようにすることで水素スタベーションが防止される。なおアノードガスの濃度を上昇させるには、水素分圧が上がるように運転すればよい。またアノードガスを脈動供給するシステムではなく、アノードガスを循環させるシステムであれば、循環量を増やせばよい。
【００８１】
ステップＳ１０５においてコントローラーは、第１周波数及び第２周波数の交流信号(交流電流又は交流電圧)を燃料電池に印加する。ここで第１周波数は、インピーダンス(ＨＦＲ)を検出できる周波数であり、たとえば１０００Ｈｚである。第２周波数は、第１周波数よりも低い周波数であって、湿潤変化に応じて位相角が変化する周波数である。たとえば、１００〜３００Ｈｚ程度の周波数である。これらの周波数は、重畳して燃料電池に印加できる。
【００８２】
ステップＳ１０６においてコントローラーは、第１周波数に基づいてインピーダンスを検出するとともに、第２周波数の位相角を検出する。
【００８３】
ステップＳ１０７においてコントローラーは、基準位相角を設定する。具体的な内容は、後述される。
【００８４】
ステップＳ１０８においてコントローラーは、位相角検出値と基準位相角との差が、所定値よりも大きいか否かを判定する。これによって、燃料電池スタックの接触抵抗変化(劣化)検出できる状態であるか否かを判定するのである。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１０９へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。
【００８５】
ステップＳ１０９においてコントローラーは、インピーダンス検出値とインピーダンス初期値(基準インピーダンス)との差を、接触抵抗変化量とする。
【００８６】
ステップＳ１１０においてコントローラーは、接触抵抗変化量をＥＥＰＲＯＭ(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)に記憶する。
【００８７】
ステップＳ１１１においてコントローラーは、ウェット運転を終了する。
【００８８】
図９は、基準位相角設定ルーチンを示すフローチャートである。
【００８９】
ステップＳ１０７１においてコントローラーは、最初の位相角を基準位相角として設定する。この最初の位相角とは、はじめてステップＳ１０６が処理されて検出された位相角でも、また予め設定されている初期値であってもよい。また通常運転での位相角であってもよい。
【００９０】
図１０は、接触抵抗が変化した後、すなわち劣化があった後の湿潤制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００９１】
ステップＳ２０１においてコントローラーは、第１周波数での初期目標インピーダンスを求める。具体的には、予め設定されている固定値を用いればよい。また、予め設定されたテーブルに電流値を入力して値をピックアップしてもよい。
【００９２】
ステップＳ２０２においてコントローラーは、初期目標インピーダンスに接触抵抗変化量を加算して、目標インピーダンスを設定する。
【００９３】
ステップＳ２０３においてコントローラーは、第１周波数に基づいてインピーダンスを検出する。
【００９４】
ステップＳ２０４においてコントローラーは、インピーダンス検出値が目標インピーダンスと等しいか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ２０５へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ２０８へ処理を移行する。
【００９５】
ステップＳ２０５においてコントローラーは、インピーダンス検出値が目標インピーダンスよりも小さいか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ２０６へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ２０７へ処理を移行する。
【００９６】
ステップＳ２０６においてコントローラーは、ウェット運転を実行する。具体的には、ノーマル運転よりも燃料電池スタックからの排水量が少なくなるように制御する。そのためには、たとえば冷却水ポンプ６５の回転を上げて冷却水の流量を増やして燃料電池スタックの温度を下げればよい。またカソードコンプレッサー３３の回転を下げてカソードガスの流量を減らしてもよい。またカソード調圧弁３６の開度を小さくしてカソードガスの圧力を上げてもよい。これらを適宜組み合わせてもよい。このようにして、ウェット運転が実行される。
【００９７】
ステップＳ２０７においてコントローラーは、ドライ運転を実行する。具体的には、ノーマル運転よりも燃料電池スタックからの排水量が多くなるように制御する。そのためには、たとえば冷却水ポンプ６５の回転を下げて冷却水の流量を減らして燃料電池スタックの温度を上げればよい。またカソードコンプレッサー３３の回転を上げてカソードガスの流量を増やしてもよい。またカソード調圧弁３６の開度を大きくしてカソードガスの圧力を下げてもよい。これらを適宜組み合わせてもよい。このようにして、ドライ運転が実行される。
【００９８】
ステップＳ２０８においてコントローラーは、ノーマル運転を実行する。
【００９９】
以上のようにして、接触抵抗変化した後、すなわち劣化があった後には、目標インピーダンスを補正して湿潤制御を実行する。
【０１００】
以上、説明したように、本実施形態では、インピーダンスを検出する第１周波数よりも低い第２周波数の交流信号を印加する。そして第２周波数における位相角を検出する。この位相角は、湿潤するにつれて、大きくなる。そしてこの位相角に基づいて湿潤状態を判定し、十分に湿潤していると判定されたときのインピーダンス(すなわち湿潤度が飽和状態であるときのインピーダンス)と、基準インピーダンスとから、接触抵抗の増加を検出する。このようにしたので、湿潤不足による誤検出や、過湿潤によるフラッディングを防止でき、接触抵抗(劣化度合)を精度よく検出できるのである。
【０１０１】
また本実施形態では、ウェット変更後の位相角と基準位相角との偏差に基づいて、劣化検出を開始するようにした。位相角単独で湿潤の飽和状態を判断しようとすると、劣化によって反応抵抗や電気二重層容量が変化している場合に、飽和状態を正確に判断できない可能性がある。ドライ側とウェット側での位相角差を使うことで、劣化による反応抵抗や電気二重層容量の変化をキャンセルできるので、より正確に劣化(接触抵抗の増加)を検出できるのである。
【０１０２】
また、接触抵抗が増加すると、同じ湿潤状態において、接触抵抗の増加分、第１周波数のインピーダンス検出値が増加する。そのため、接触抵抗の増加に基づいて第１周波数の目標インピーダンスを増加側に補正することで、一定の湿潤状態で制御することができるのである。
【０１０３】
なお位相角の検出は、所定電流よりも高い電流で実行することがさらに好ましい。これについて、図１１を参照して説明する。すなわち燃料電池スタックの発電特性(ＩＶ特性)は、図１１のようになり、おおよそは、電流が高くなるにつれて電圧が低くなる傾向にある。しかしながら、電流がとても小さい領域で、電圧が非常に高くなる。このような領域は、活性化過電圧領域と言われる。電流変化に対する過電圧変化の要因が、活性化過電圧が支配的となる極低電流域では反応抵抗が非常に高いため、ウェット状態でなくとも位相角が増加してしまうため、ウェット状態の判断が困難となり誤判断のリスクが増加してしまう。そこでこのような電流域では実施せず、活性化過電圧領域よりも大きい電流域で実施することで、より正確に劣化(接触抵抗の増加)を検出できるのである。
【０１０４】
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態の基準位相角設定ルーチンを示すフローチャートである。
【０１０５】
ステップＳ１０７２１においてコントローラーは、インピーダンス検出値が基準値よりも小さいか否かを判定する。ここで基準値は、過乾燥状態でないことを判定できる値である。過乾燥状態であっても、インピーダンスが下がることがあるので、そのようなイレギュラーな状態を排除するべく、ステップＳ１０７２１で判定するのである。判定結果が肯であればステップＳ１０７２２へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。
【０１０６】
ステップＳ１０７２２においてコントローラーは、位相角検出値を基準位相角として設定する。
【０１０７】
本実施形態によれば、過乾燥状態であってインピーダンスが下がるようなイレギュラーな状態を排除できるのである。すなわち、燃料電池スタックが想定以上に乾燥状態となった場合にも、第２周波数における位相角は大きくなる。そのため、位相角偏差でウェット状態を判定する際に必要以上にウェット操作をしてしまう可能性がある。これに対して、本実施形態では、第１周波数において検出したインピーダンスを見て想定外の乾燥状態でないことを判定できる状態での位相角との偏差で判定することで、短時間で劣化(接触抵抗の増加)を検出できるのである。
【０１０８】
（第３実施形態）
図１３は、第３実施形態の基準位相角設定ルーチンを示すフローチャートである。
【０１０９】
ステップＳ１０７３１においてコントローラーは、位相角検出値が基準位相角よりも小さいか否かを判定する。判定結果が肯であればステップＳ１０７３２へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。
【０１１０】
ステップＳ１０７３２においてコントローラーは、位相角検出値を基準位相角として設定する。
【０１１１】
電解質膜の湿潤状態が変わることで、位相角が変わるが、上記の処理を微小間隔で繰り返すことで、最小の位相角を基準位相角として設定できる。
【０１１２】
本実施形態によれば、燃料電池スタックが想定以上に乾燥状態となった場合にも、第２周波数における位相角は大きくなる。そのため、位相角偏差でウェット状態を判定する際に必要以上にウェット操作をしてしまう可能性がある。これに対して、本実施形態では、基準位相角を最小値に更新させることにより、短時間で劣化(接触抵抗の増加)を検出できるのである。
【０１１３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１１４】
たとえば、図１では、アノードガスを脈動供給するシステムが例示されているが、アノードガスが循環するシステムにも適用可能である。
【０１１５】
また、ステップＳ１０８において、位相角検出値と基準位相角との差に応じて、劣化検出を開始するようにしたが、簡易的には、位相角検出値が基準値を超えたか否かによって劣化検出を開始するようにしてもよい。
【０１１６】
なお上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【０１１７】
１００  燃料電池スタック
Ｓ１０５  第１印加部，第２印加部
Ｓ１０６  インピーダンス検出部
Ｓ１０８  位相角検出部
Ｓ１０９  劣化検出部
【図１】
2014207049.tif 000004
【図２】
2014207049.tif 000005
【図４】
2014207049.tif 000006
【図５】
2014207049.tif 000007
【図６】
2014207049.tif 000008
【図７】
2014207049.tif 000009
【図８】
2014207049.tif 000010
【図９】
2014207049.tif 000011
【図１０】
2014207049.tif 000012
【図１１】
2014207049.tif 000013
【図１２】
2014207049.tif 000014
【図１３】
2014207049.tif 000015
【図３】
2014207049.tif 000016