(57)【要約】【課題】燃料電池内部の湿潤状態を回復するための制御を、より適切に行なう。【解決手段】燃料電池システム（１０）は、燃料電池（１５）のインピーダンスを測定する測定部（５４）と、反応ガス供給部（２０，３０）と、低周波インピーダンスが第１閾値以上である条件を満たすことに加えて、さらに、高周波インピーダンスが第２閾値未満である条件、および、低周波インピーダンスと高周波インピーダンスの差が第３閾値以上である条件、のうちの少なくともいずれか一方を満たす場合には、反応ガスの供給量を減少させる、および、燃料電池に供給する反応ガスの背圧を上昇させる、のうちの少なくともいずれか一方を行なうように、反応ガス供給部を制御する制御部（５０）と、を備える。【選択図】図１
2019087500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒電極層が電解質膜の両面に形成された膜電極接合体を有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
高周波数側の周波数と、前記高周波数側の周波数よりも周波数が低い低周波数側の周波数とについて、前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定部と、
前記燃料電池に、電気化学反応で用いる反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記測定部が測定した前記インピーダンスのうち、低周波数側の低周波インピーダンスが第１閾値以上である条件を満たすことに加えて、さらに、高周波数側の高周波インピーダンスが第２閾値未満である条件、および、前記低周波インピーダンスと前記高周波インピーダンスの差が第３閾値以上である条件、のうちの少なくともいずれか一方を満たす場合には、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの量を減少させる、および、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの背圧を上昇させる、のうちの少なくともいずれか一方を行なうように、前記反応ガス供給部を制御する制御部と、
を備え、
前記高周波インピーダンスを測定するための周波数は、前記電解質膜と前記触媒電極層との双方が乾燥状態であるときの前記高周波インピーダンスの方が、前記電解質膜および前記触媒電極層のうちの前記触媒電極層のみが乾燥する状態であるときの前記高周波インピーダンスよりも大きくなる周波数領域における周波数である
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池内部の状態を把握する方法として、交流インピーダンス法を用いて燃料電池のインピーダンスを測定する方法が知られている。このような方法として、例えば、燃料電池について、高周波数領域における高周波インピーダンスと、低周波数領域における低周波インピーダンスとを測定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、低周波インピーダンスが第１の閾値よりも大きいときには、燃料状態不良と判断して、燃料電池に供給する燃料ガスや酸化ガスを増加させることにより、燃料の供給状態を回復させる。また、高周波インピーダンスが第２の閾値よりも大きいときには、ドライアップと判断して、ガスが燃料電池から持ち去る水量を低減させる制御を行ない、ドライアップを解消させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２４１９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、上記のように高周波インピーダンスの値に基づいてドライアップを判断する場合には、燃料電池内部の湿潤状態を十分に把握して、燃料電池内部の乾燥を抑える適切な制御が十分に行なえない場合があった。例えば、燃料電池の内部において乾燥が進行する初期の状態では、高周波インピーダンスが十分に上昇しておらず、高周波インピーダンスに基づいて乾燥状態を十分に把握することが困難となる場合も考えられる。そのため、燃料電池内部が乾燥しているときに湿潤状態を回復するための制御を、より適切に行なうことが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態によれば、触媒電極層が電解質膜の両面に形成された膜電極接合体を有する燃料電池を備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、高周波数側の周波数と、前記高周波数側の周波数よりも周波数が低い低周波数側の周波数とについて、前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定部と；前記燃料電池に、電気化学反応で用いる反応ガスを供給する反応ガス供給部と；前記測定部が測定した前記インピーダンスのうち、低周波数側の低周波インピーダンスが第１閾値以上である条件を満たすことに加えて、さらに、高周波数側の高周波インピーダンスが第２閾値未満である条件、および、前記低周波インピーダンスと前記高周波インピーダンスの差が第３閾値以上である条件、のうちの少なくともいずれか一方を満たす場合には、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの量を減少させる、および、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの背圧を上昇させる、のうちの少なくともいずれか一方を行なうように、前記反応ガス供給部を制御する制御部と；を備える。前記高周波インピーダンスを測定するための周波数は、前記電解質膜と前記触媒電極層との双方が乾燥状態であるときの前記高周波インピーダンスの方が、前記電解質膜および前記触媒電極層のうちの前記触媒電極層のみが乾燥する状態であるときの前記高周波インピーダンスよりも大きくなる周波数領域における周波数である。
この形態の燃料電池システムによれば、膜電極接合体が乾燥状態となっているか否か、乾燥状態となっている場合には、触媒電極層のみが乾燥する状態と、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態とのうちのいずれであるのかを、精度良く判定することができる。そして、触媒電極層のみが乾燥する場合には、触媒電極層から持ち去られる水分量を減少させることにより、触媒電極層の湿潤状態を回復させる動作を、より適切に行なうことができる。
【０００７】
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、燃料電池内部の乾燥状態の回復方法、燃料電池システムの制御方法、その制御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】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの概略構成を表わす説明図である。
【図２】反応ガス供給量が過剰であるときのスタックインピーダンスの変化を表わす説明図である。
【図３】測定周波数とスタックインピーダンスとの関係を示す説明図である。
【図４】測定周波数とスタックインピーダンスとの関係を示す説明図である。
【図５】乾燥対策処理ルーチンを表わす説明図である。
【図６】乾燥対策による効果の違いを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態：
（Ａ−１）燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１０の概略構成を表わす説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、電気自動車に搭載されて駆動用電源として用いることができる。あるいは、燃料電池システム１０は、定置型電源として用いてもよい。本実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池１５と、燃料ガス供給部２０と、酸化ガス供給部３０と、制御部５０と、を備える。そして、燃料電池１５には、電力回路６０が接続されている。燃料ガス供給部２０および酸化ガス供給部３０は、反応ガス供給部とも呼ぶ。
【００１０】
燃料電池１５は、固体高分子形燃料電池であり、発電体としての単セル７０を複数積層したスタック構造を有すると共に、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとの供給を受けて発電する。燃料ガスおよび酸化ガスは、電気化学反応で用いるガスであり、反応ガスとも呼ぶ。
【００１１】
単セル７０は、ＭＥＡ（膜電極接合体、Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持するように配置された一対のガス拡散層と、各々のガス拡散層の外側に配置された一対のガスセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の各々の面に形成された触媒電極層であるアノードおよびカソードを備える。各単セル７０では、電解質膜を間に介して、アノード側には燃料ガスが流れる流路（アノード側流路）が形成され、カソード側に酸化ガスが流れる流路（カソード側流路）が形成されている。
【００１２】
ＭＥＡを構成する電解質膜は、固体高分子材料、例えば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、湿潤状態で良好な電子伝導性を示す。カソードおよびアノードは、電解質膜上に形成された層であり、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持するカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質と、を備えている。ガス拡散層は、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、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。ガスセパレータは、ガス不透過な導電性部材、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製部材により形成することができる。
【００１３】
なお、燃料電池１５の内部には、燃料電池１５を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路が形成されているが、図１では、このような冷媒流路、および、冷媒流路内に冷媒を循環させるための冷媒系については、記載を省略している。
【００１４】
燃料ガス供給部２０は、燃料ガスタンク２１と、燃料ガス供給管２２と、燃料ガス排気管２３と、燃料ガス還流管２４と、主止弁４０と、可変調圧弁４２と、気液分離器４５と、水素ポンプ４４と、を備える。燃料ガスタンク２１は、燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給管２２を介して燃料電池１５のアノード側流路に接続されている。燃料ガス供給管２２上において、燃料ガスタンク２１から近い順に、主止弁４０と可変調圧弁４２とが設けられている。可変調圧弁４２は、燃料ガスタンク２１から燃料電池１５へ供給される水素圧（水素量）を調整可能な調圧弁である。
【００１５】
燃料ガス排気管２３は、燃料電池１５から排出されるアノードオフガスが流れる流路である。燃料ガス還流管２４は、燃料ガス排気管２３と、燃料ガス供給管２２における可変調圧弁４２よりも下流側の部位とに接続されている。燃料電池１５から燃料ガス排気管２３に排出されたアノードオフガスは、燃料ガス還流管２４を経由して、再び燃料ガス供給管２２に導かれる。そのため、燃料電池システム１０において、燃料ガスは、発電により水素が消費されつつ、燃料ガス排気管２３、燃料ガス還流管２４、燃料ガス供給管２２の一部、および、燃料電池１５内に形成される燃料ガスの流路を循環する。燃料ガス還流管２４には、流路内で燃料ガスを循環させるための駆動力を発生して燃料ガスの流量を調節するために、水素ポンプ４４が設けられている。
【００１６】
燃料ガス排気管２３と燃料ガス還流管２４との接続部には、気液分離器４５が設けられている。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素と共に、窒素や水蒸気等の不純物が含まれる。気液分離器４５は、アノードオフガス中の水と、ガス（水素および窒素等）とを分離する。本実施形態では、気液分離器４５を介して、上記した流路内を循環する燃料ガスから不純物が除去される。気液分離器４５には、燃料ガス排出管２５が接続されており、燃料ガス排出管２５にはパージ弁４６が設けられている。パージ弁４６が開弁されることにより、気液分離器４５から水とガスとが排出される。
【００１７】
酸化ガス供給部３０は、エアコンプレッサ３１と、酸化ガス供給管３２と、加湿器３５と、酸化ガス排出管３３と背圧弁３９と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１０は、酸化ガスとして、空気を用いる。エアコンプレッサ３１は、空気を圧縮し、酸化ガス供給管３２を介して、燃料電池１５のカソード側流路に空気を供給する。酸化ガス供給管３２は、エアコンプレッサ３１と燃料電池１５とを接続して、燃料電池１５に酸化ガスを供給する。加湿器３５は、酸化ガス供給管３２に設けられており、燃料電池１５に供給される酸化ガスを予め加湿する。燃料電池１５から排出されるカソードオフガスは、酸化ガス排出管３３を介して、燃料電池システム１０の外部に排出される。酸化ガス排出管３３には、背圧弁３９が設けられており、背圧弁３９の開度を調節することによって、燃料電池１５内における酸化ガスの圧力を調節している。
【００１８】
加湿器３５は、燃料電池１５に供給される酸化ガスの加湿量を増減できる装置であればよい。加湿器３５は、例えば、水分（例えば水蒸気）を酸化ガス供給管３２にインジェクションする装置とすることができる。この場合には、インジェクションする水分量を増減することにより、酸化ガスの加湿量を増減させることができる。あるいは、加湿器３５は、酸化ガス供給管３２と酸化ガス排出管３３とを水蒸気透過性膜によって隔てる構成として、水蒸気含有量がより多いカソードオフガスを用いて、酸化ガスを加湿することとしてもよい。この場合には、例えば、酸化ガス供給管３２において、加湿器３５を経由しないバイパス流路を設け、加湿器３５を経由する酸化ガス量と加湿器３５を経由しない酸化ガス量とを変更可能にして、加湿器３５を経由する酸化ガス量を増減することにより、酸化ガスの加湿量を増減させることができる。
【００１９】
電力回路６０において、燃料電池１５は、配線６２を介して負荷６５に接続されている。配線６２には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１が設けられており、燃料電池１５から負荷６５へと電力供給する際には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１が、燃料電池１５の出力電圧を、負荷６５で利用可能な電圧に昇圧する。また、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１によって燃料電池１５の出力電圧を設定することにより、燃料電池１５からの出力（発電量）を変更可能となっている。燃料電池システム１０を、車両の駆動用電源として用いる場合には、負荷６５は、少なくとも車両の駆動モータを含むことができる。配線６２には、電流センサ６３および電圧センサ６４が設けられており、燃料電池１５の出力電流および出力電圧を測定可能となっている。
【００２０】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種信号を入出力する入出力ポート等を備える。制御部５０は、電力回路６０への出力のための燃料電池システム１０の発電制御を行なう。制御部５０は、エアコンプレッサ３１、主止弁４０、可変調圧弁４２、加湿器３５、水素ポンプ４４、パージ弁４６、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１等に対して駆動信号を出力する。また、電流センサ６３および電圧センサ６４等から、検出信号を取得する。
【００２１】
なお、図１では、制御部５０を、制御部５０が実行する機能の一部を表わす機能ブロックによって示している。具体的には、制御部５０は、機能ブロックとして、指令信号生成部５１、重畳信号生成部５２、目標電圧決定部５３、インピーダンス測定部５４、判定部５５、加湿量制御部５６、ガス制御部５７を備える。これらの各機能ブロックの動作については後述する。
【００２２】
（Ａ−２）乾燥状態とインピーダンスとの関係：
本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池１５の各単セル７０が備えるＭＥＡが乾燥状態となったときに、乾燥状態となっている部位に応じた対策を実行することを特徴としている。燃料電池１５の発電時には、発電に伴ってカソードで生成水が生じ、ＭＥＡ全体の湿潤状態の保持に寄与するが、反応ガスの流量が多いときや反応ガスの湿度が低いときには、ＭＥＡの水分が反応ガスに奪われることによってＭＥＡが乾燥する。したがって、ＭＥＡの乾燥は、一般的には、まず、ＭＥＡにおける外側に配置された触媒電極層において進行し、その後さらに水分が奪われると、電解質膜においても乾燥が進行すると考えられる。
【００２３】
図２は、ＭＥＡが乾燥することなく正常に発電する条件下で発電を行なった後に、燃料電池に供給する反応ガス(本実施形態では酸化ガス）の供給量が過剰である特定の条件に変更して燃料電池の発電を行なったときの、発電時間の経過に伴う燃料電池１５のインピーダンス（スタックインピーダンス）を特定の周波数にて測定したときの、スタックインピーダンスの変化の様子を表わす説明図である。図２では、反応ガスの供給量を過剰にしたタイミングを、時間０としている。ここで、反応ガスの供給量が過剰である条件とは、反応に伴って生じる生成水の量に比べて、反応ガスによってＭＥＡから持ち去られる水分量の方が多くなり、ＭＥＡの乾燥が進行する条件を指す。
【００２４】
燃料電池１５に対して過剰量の反応ガスを供給しつつ燃料電池１５を発電させると、ＭＥＡの乾燥が進行することによりスタックインピーダンスが上昇する。このとき、図２において時間ｔ１として示すように、スタックインピーダンスが増加する速度が急激に変化するタイミングが存在する。この時間ｔ１は、ＭＥＡにおいてインピーダンスが経時的に増加する程度が急激に変化するタイミングであり、主として触媒電極層（酸化ガスが過剰であることにより乾燥が進行する場合にはカソード）のみで乾燥が進行する状態から、電解質膜においても乾燥が進行する状態に切り替わるタイミングであるといえる。そのため、上記のようにして時間ｔ１を求め、上記したように反応ガスが過剰である特定の条件で時間ｔ１の間、燃料電池１５の発電を行なうことで、燃料電池１５において、主として触媒電極層のみが乾燥する状態を、精度良く再現することができる。なお、時間ｔ１が経過するまでに、電解質膜の含水量も若干減少している可能性がある。しかしながら、図２より、このような含水量の減少は電解質膜のインピーダンスの低下にほとんど寄与していないと考えられるため、時間ｔ１が経過するまでの状態を、単に、触媒電極層のみが乾燥する状態と呼ぶ。
【００２５】
図３は、発電中の燃料電池１５に種々の大きさの交流電圧を重畳してスタックインピーダンスを測定したときの、測定周波数（スタックインピーダンスの測定時に燃料電池１５に重畳する交流電圧の周波数）とスタックインピーダンスとの関係を示す説明図である。図３では、電解質膜と触媒電極層との双方が湿潤状態であるとき（このような状態を、以下では「正常」ともいう）のスタックインピーダンスと、上記のように触媒電極層のみが乾燥する状態におけるスタックインピーダンスとを、併せて示している。図３に示す触媒電極層のみが乾燥する場合におけるスタックインピーダンスと測定周波数との関係は、例えば、既述したように、時間ｔ１が経過して触媒電極層のみが乾燥する状態を再現し、種々の周波数の交流電圧を重畳してスタックインピーダンスを測定する動作を繰り返すことにより求めることができる。スタックインピーダンスは、cole-cole plotの測定により導出することとしてもよい。なお、電解質膜と触媒電極層との双方が湿潤状態であるときとは、一定の条件で燃料電池１５の発電を行なった時に、図２のようにスタックインピーダンスが経時的に増加する傾向を示すことなく、ほぼ一定のスタックインピーダンスを示すときの状態を指す。
【００２６】
図３に示すように、スタックインピーダンスは、燃料電池１５の乾燥状態にかかわらず、測定周波数が低いほど大きくなる傾向がある。特に、測定周波数が低周波数であるほど、乾燥状態が正常である場合に比べて、触媒電極層のみが乾燥する場合におけるスタックインピーダンスが大きくなる傾向がある。図３では、測定周波数がＦａよりも低いときに、乾燥状態が正常である場合のスタックインピーダンスと、触媒電極層のみが乾燥する場合のスタックインピーダンスとの差が大きくなる様子を示している。触媒電極層のみが乾燥する場合には、このように、低周波数領域において、正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性が高い。
【００２７】
図４は、図３に加えて、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する場合における測定周波数とスタックインピーダンスとの関係を、さらに示した説明図である。図４に示すように、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する場合にも、測定周波数が低いほどスタックインピーダンスが大きくなる傾向がある。そして、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する場合には、測定周波数にかかわらず、乾燥状態が正常である場合に比べてスタックインピーダンスが大きくなる。ただし、低周波数領域において正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性は、触媒電極層のみが乾燥する場合ほど高くはない。そして、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する場合には、高周波領域において、正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性が高い。図４では、測定周波数が低周波数領域である周波数ＦＬのときには、触媒電極層のみが乾燥する場合の方が、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する場合よりもスタックインピーダンスが大きくなる様子を示している。そして、測定周波数が高周波領域である周波数ＦＨのときには、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する場合の方が、触媒電極層のみが乾燥する場合よりもスタックインピーダンスが大きくなる様子を示している。
【００２８】
（Ａ−３）燃料電池の発電時の制御：
本実施形態では、図３および図４に示した特性を利用して、ＭＥＡが乾燥状態であるか否か、そして、ＭＥＡが乾燥状態である場合には、ＭＥＡのどこが乾燥しているのか、を判定する。そして、判定した乾燥箇所に応じて、乾燥状態から回復するための処理を実行する。
【００２９】
図５は、燃料電池１５の発電時に制御部５０のＣＰＵで繰り返し実行される乾燥対策処理ルーチンを表わす説明図である。
【００３０】
本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、低周波インピーダンスＺＬおよび高周波インピーダンスＺＨを測定する（ステップＳ１００）。ここで、高周波インピーダンスＺＨを測定するための周波数は、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥状態であるときの高周波インピーダンスの方が、触媒電極層のみが乾燥する状態であるときの高周波インピーダンスよりも大きくなる周波数領域における周波数である。そして、低周波インピーダンスＺＬを測定するための周波数は、高周波インピーダンスＺＨを測定するための周波数よりも低いインピーダンスである。図３および図４に示した測定周波数とスタックインピーダンスとの関係(以下、周波数−インピーダンス特性とも呼ぶ）は、燃料電池の構成によって定まる。そのため、本実施形態では、燃料電池１５の周波数−インピーダンス特性を実験的に調べて、得られた周波数−インピーダンス特性に基づいて、低周波インピーダンスＺＬを測定するための周波数ＦＬと、高周波インピーダンスＺＨを測定するための周波数ＦＨとを、予め定めている。なお、低周波インピーダンスＺＬを測定するための周波数ＦＬと、高周波インピーダンスＺＨを測定するための周波数ＦＨとは、インピーダンスの測定にかかる時間や、インピーダンス測定の精度をさらに考慮して、適宜設定すればよい。
【００３１】
燃料電池１５の発電時には、制御部５０の指令信号生成部５１が、燃料電池１５に対する負荷要求に基づいて、要求された負荷に対応する電力を燃料電池１５に発電させるためにＤＣ／ＤＣコンバータ６１に出力すべき指令信号（電圧指令値）を生成する。ステップＳ１００で高周波インピーダンスＺＨおよび低周波インピーダンスＺＬを測定する際には、さらに、制御部５０の重畳信号生成部５２が、重畳信号を生成する。すなわち、低周波インピーダンスＺＬを測定するための周波数あるいは高周波インピーダンスＺＨを測定するための周波数を有する交流電圧を燃料電池１５に重畳するための、重畳信号を生成する。そして、目標電圧決定部５３が、上記指令信号および重畳信号を入力されて、燃料電池１５における目標電圧を決定し、決定した目標電圧を得るための駆動信号を、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１に出力する。その後、制御部５０のインピーダンス測定部５４が、電流センサ６３および電圧センサ６４から検出信号を取得して、低周波インピーダンスＺＬおよび高周波インピーダンスＺＨを導出する。
【００３２】
ステップＳ１００で低周波インピーダンスＺＬおよび高周波インピーダンスＺＨを測定すると、制御部５０のＣＰＵは、低周波インピーダンスＺＬが第１閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。そして、低周波インピーダンスＺＬが第１閾値以上である場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、さらに、ステップＳ１２０の判断を行なう。具体的には、高周波インピーダンスＺＨが第２閾値以上であるか否か、あるいは、低周波インピーダンスＺＬから高周波インピーダンスＺＨを減算した両者の差であるΔＺが第３閾値未満であるか否か、を判断する。ステップＳ１１０およびステップＳ１２０における判断は、インピーダンス測定部５４から低周波インピーダンスＺＬおよび高周波インピーダンスＺＨを取得した判定部５５において行なわれる。
【００３３】
ステップＳ１１０の処理は、ＭＥＡが何らかの乾燥状態になっているか否か、すなわち、触媒電極層のみが乾燥する状態あるいは電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態となっているか否かを判断するための処理である。ステップＳ１１０で用いられる第１閾値は、周波数ＦＬにおける低周波インピーダンスＺＬによって、ＭＥＡが何らかの乾燥状態であるのか、ＭＥＡ全体が湿潤状態であるのかを、区別可能となる値として予め設定されている。具体的には、図４に示した周波数−インピーダンス特性に基づいて、周波数ＦＬにおける低周波インピーダンスＺＬが、「正常」で表わす湿潤状態のグラフ上の値であるのか、乾燥状態を表わす２つのグラフのいずれかに属する値であるのか、を判定可能な値として設定されている。低周波インピーダンスＺＬが第１閾値以上であれば、ＭＥＡが何らかの乾燥状態であると判断され、第１閾値未満であればＭＥＡ全体が湿潤状態であると判断される。
【００３４】
既述したように、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する場合には、低周波数領域において正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性が比較的低いが、周波数−インピーダンス特性に基づいて適切に第１閾値を設定することにより、精度良く正常時と区別することができる。また、触媒電極層のみが乾燥する場合には、低周波数領域において正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性が高いため、湿潤状態から乾燥状態へと移行して触媒電極層の乾燥が進行し始めるときには、低周波インピーダンスＺＬが急激に上昇する。そのため、上記のように、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する場合と正常時とを区別可能となるように、周波数−インピーダンス特性に基づいて適切に第１閾値を設定することにより、ステップＳ１１０において、触媒電極層の乾燥が進行する比較的初期の段階であっても、ＭＥＡが何らかの乾燥状態であると判断することができる。ステップＳ１１０における判断の精度を高めるためには、低周波インピーダンスＺＬを測定するための周波数ＦＬは、触媒電極層のみが乾燥する状態であるときの低周波インピーダンスが、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態であるときの低周波インピーダンス以上になり得る周波数とすることが望ましい。特に、低周波インピーダンスＺＬを測定するための周波数ＦＬは、触媒電極層のみが乾燥する状態であるときの低周波インピーダンスが、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態であるときの低周波インピーダンスを超え得る周波数とすることが、より望ましい。
【００３５】
ステップＳ１１０においてＭＥＡ全体が湿潤状態であると判断されたときには、（ステップＳ１１０：ＮＯ）、乾燥対策を行なう必要がないため、本ルーチンを終了する。
【００３６】
ステップＳ１２０の処理は、ＭＥＡ全体が何らかの乾燥状態となっているときに、触媒電極層のみが乾燥する状態と、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態とのうちの、いずれであるのかを判断するための処理である。既述したように、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する場合には、高周波領域において、正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性が高い。そして、高周波インピーダンスＺＨを測定するための周波数ＦＨは、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥状態であるときの高周波インピーダンスの方が、触媒電極層のみが乾燥する状態であるときの高周波インピーダンスよりも大きくなる周波数領域における周波数である。そのため、周波数−インピーダンス特性に基づいて第２閾値を適切に設定すれば、高周波インピーダンスＺＨが第２閾値以上であるか否かによって、触媒電極層のみが乾燥する状態であるのか、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態であるのかを、精度良く判断することができる。
【００３７】
また、既述したように、低周波数領域では、正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性は、触媒電極層のみが乾燥する場合の方が高く、高周波数量域では、正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性は、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する場合の方が高い。その結果、低周波インピーダンスＺＬから高周波インピーダンスＺＨを減算した両者の差であるΔＺは、触媒電極層のみが乾燥する場合の方が、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する場合よりも大きくなる。そのため、周波数−インピーダンス特性に基づいて第３閾値を適切に設定すれば、ΔＺが第３閾値以上であるか否かによって、触媒電極層のみが乾燥する状態であるのか、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態であるのかを、精度良く判断することができる。
【００３８】
ステップＳ１２０では、高周波インピーダンスＺＨと第２閾値とを比較する判断と、ΔＺと第３閾値とを比較する判断とのうちの、少なくともいずれか一方を行なえばよい。第２および第３の閾値を適切に設定することにより、いずれか一方の判断のみによって、触媒電極層のみが乾燥する状態であるのか、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態であるのかを、精度良く区別することができる。
【００３９】
ステップＳ１２０において、触媒電極層のみが乾燥していると判断された場合には（ステップＳ１２０：ＮＯ）、制御部５０のＣＰＵは、反応ガスの供給量を減少させる制御、および、反応ガスの背圧を上昇させる制御のうちの、少なくともいずれか一方を行ない（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。具体的には、反応ガスの供給量を減少させる場合には、制御部５０のガス制御部５７が、エアコンプレッサ３１に駆動信号を出力してエアコンプレッサ３１の駆動量を減少させて、燃料電池１５に供給する酸化ガス量を減少させる。また、反応ガスの背圧を上昇させる場合には、制御部５０のガス制御部５７が背圧弁３９に駆動信号を出力して背圧弁３９の開度を減少させて、燃料電池１５内の酸化ガスの背圧を上昇させる。燃料電池１５に供給する反応ガス量を減少させる、あるいは反応ガスの背圧を上昇させることにより、反応ガスによるＭＥＡからの水分の持ち去り量が減少し、触媒電極層の湿潤状態が回復する。なお、反応ガスの供給量を減少させる場合には、燃料電池１５の出力が低下する場合がある。また、燃料電池１５に供給される反応ガスの流量が多いとき等には、それ以上背圧を上昇させることが困難な場合がある。ステップＳ１３０では、燃料電池１５の発電状態等を考慮して、いずれの方法を採用してＭＥＡからの水分の持ち去り量を削減するのかを、適宜選択すればよい。また、いずれか一方、例えば、反応ガスの供給量を減少させる方法のみを採用してもよい。
【００４０】
ステップＳ１２０において、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥していると判断された場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、制御部５０のＣＰＵは、反応ガスの加湿量を増加させる制御を行ない（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。具体的には、制御部５０の加湿量制御部５６が、加湿器３５に駆動信号を出力して酸化ガスの加湿量を増加させる。燃料電池１５に供給する反応ガスの加湿量を増加させることにより、ＭＥＡ全体の湿潤状態が向上する。
【００４１】
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１０によれば、低周波インピーダンスＺＬが第１閾値以上である条件を満たすことに加えて、さらに、高周波インピーダンスＺＨが第２閾値未満である条件、および、ΔＺが第３閾値以上である条件、のうちの少なくともいずれか一方を満たす場合には、触媒電極層のみが乾燥していると判断して、ＭＥＡからの水分の持ち去り量を削減する。そのため、燃料電池１５においてどのような乾燥状態であるかを精度良く判定し、ＭＥＡの湿潤状態を回復するための制御を、より適切に行なうことができる。その結果、ＭＥＡが乾燥状態になった場合に、効率良く湿潤状態を回復することができる。ＭＥＡが乾燥する場合には、燃料電池１５の発電性能が低下するだけでなく、燃料電池１５の劣化が引き起こされる可能性がある。本実施形態では、ＭＥＡの湿潤状態を回復することにより、このような不都合を抑えることができる。
【００４２】
具体的には、本実施形態では、低周波インピーダンスＺＬによって、ＭＥＡ全体が湿潤状態であるか、何らかの乾燥状態であるかを判別している。触媒電極層のみが乾燥する状態であるときのスタックインピーダンスは、測定する周波数にかかわらず、正常時に比べて大きな値を示す。しかしながら、触媒電極層のみが乾燥する状態である場合には、高周波数領域においては、正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性が低いため、触媒電極層のみが乾燥する状態と正常時とをスタックインピーダンスによって判別することが困難になる場合がある。これに対して、低周波数領域においては、正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性が高いため、スタックインピーダンスによって容易に正常時と判別可能になる。そして、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥している場合には、低周波数領域においても、正常時と判別可能な程度に十分に大きなスタックインピーダンスを示す。そのため、低周波インピーダンスＺＬに基づくステップＳ１１０の判断を行なえば、より周波数の高い高周波数領域で測定したインピーダンスが基準値よりも大きいことによって乾燥状態を判定する場合とは異なり、触媒電極層のみが乾燥する場合を含めて、精度良くＭＥＡの乾燥状態を判定可能となる。
【００４３】
さらに、本実施形態によれば、上記のように低周波インピーダンスＺＬによって、ＭＥＡ全体が湿潤状態であるか、何らかの乾燥状態であるかを判別するため、ＭＥＡが乾燥する際に、触媒電極層において乾燥が進行し始める初期の段階で、乾燥状態であると判断することができる。触媒電極層のみが乾燥する場合には、低周波数領域において、正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性が高いためである。そのため、電解質膜まで乾燥するほど乾燥が進行する前に、湿潤状態を回復するための対策を行なうことが可能になり、燃料電池１５の発電状態を良好に維持して劣化を抑えることが可能になる。触媒電極層において乾燥が進行し始める初期の段階で判断可能にする観点からは、特に、図４に示すように、低周波インピーダンスＺＬを測定するための周波数ＦＬは、触媒電極層のみが乾燥する状態であるときの低周波インピーダンスが、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態であるときの低周波インピーダンスを超え得る周波数とすることが望ましい。触媒電極層の乾燥の進行に伴い、より早期に、低周波インピーダンスＺＬが大きく上昇するためである。
【００４４】
また、ＭＥＡが何らかの乾燥状態であると判断したときには、高周波インピーダンスＺＨを用いて、触媒電極層のみが乾燥する状態と、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態とのうちの、いずれであるのかを判断している。ここで、高周波インピーダンスＺＨを測定するための周波数ＦＨは、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥状態であるときの高周波インピーダンスの方が、触媒電極層のみが乾燥する状態であるときの高周波インピーダンスよりも大きくなる周波数領域における周波数である。そのため、触媒電極層のみが乾燥する状態であるのか、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態であるのかを、精度良く区別し、湿潤状態を回復するために、乾燥している箇所に応じた適切な対策を採用することが可能になる。
【００４５】
図６は、乾燥状態に対する対策として、反応ガスの加湿量を増加することによる効果と、反応ガスによるＭＥＡ全体からの水分の持ち去り量を減少させることによる効果との違いを示すための説明図である。ここでは、反応ガスによるＭＥＡ全体からの水分の持ち去り量を減少させる方法として、反応ガスの供給量を減少させる場合を示すが、反応ガスの背圧を上昇させる場合にも、同様の傾向を示す。図６では、ＭＥＡで乾燥が進行するような反応ガス過剰の状態で発電を行なったときの、経時的なスタックインピーダンスの上昇の様子を、実線で示している。そして、触媒電極層のみが乾燥状態となる時間ｔ２のタイミングで加湿量を増加させたときの、経時的なスタックインピーダンスの上昇の様子を、破線で示している。また、時間ｔ２のタイミングで反応ガスの供給量を減少させたときの、経時的なスタックインピーダンスの上昇の様子を、一点鎖線で示している。図６に示すように、触媒電極層のみが乾燥する場合には、反応ガスの供給量を減少させる方が、反応ガスの加湿量を増加させる場合に比べて、スタックインピーダンスの上昇を抑える効果（湿潤状態を回復させる効果）に優れているといえる。これは、触媒電極層のみが乾燥する原因が、反応ガスによる水分の持ち去りであり、反応ガスによる水分の持ち去り量が生成水量を上回るためであると考えられ、供給する反応ガス量を減少させて水分の持ち去り量を減少させることで、ＭＥＡ内で生じる生成水により、直ちに触媒電極層の湿潤状態が回復するためと考えられる。
【００４６】
なお、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態になると、供給する反応ガス量を減少させて水分の持ち去り量を減少させても、電解質膜の湿潤状態を直ちに回復することは困難である。電解質膜は、触媒電極層によって反応ガスから隔てられており、また、触媒電極層のみが乾燥する場合とは異なり、ＭＥＡ内で生じる生成水だけでは電解質膜の乾燥状態を直ちに回復することが困難となるためである。そのため、本実施形態では、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態である場合には、反応ガスの加湿量を増加させることにより、湿潤状態の回復を図っている。
【００４７】
また、図４に示すように、触媒電極層のみが乾燥する場合には、低周波数領域において、正常時に比べてスタックインピーダンスが上昇する反応性が高いため、低周波インピーダンスＺＬのみに基づいて、触媒電極層のみが乾燥する状態と、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態とを、判別可能になる場合もある。しかしながら、触媒電極層の乾燥が進行し始めた段階では、低周波インピーダンスＺＬの上昇の程度が小さいため、触媒電極層のみが乾燥する状態とＭＥＡ全体が湿潤である状態(正常)とを区別することはできても、触媒電極層のみが乾燥する状態と、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態との区別が困難となる場合がある。このような場合であっても、高周波インピーダンスＺＨを用いることで、触媒電極層のみが乾燥する状態と、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥する状態とを、容易に区別可能となる。このように、本実施形態では、低周波インピーダンスＺＬを用いた判断と高周波インピーダンスＺＨを用いた判断とを組み合わせることにより、触媒電極層のみが乾燥する初期の段階を含めて、精度良く、乾燥状態を判別することができる。
【００４８】
Ｂ．第２実施形態：
第１実施形態では、反応ガスとして酸化ガスが供給されるカソード側の乾燥状態に着目した周波数−インピーダンス特性に基づいて、カソードの乾燥状態を判定して、酸化ガスの加湿量や酸化ガスの供給量を制御したが、異なる構成としてもよい。具体的には、図４に示すような周波数−インピーダンス特性をアノード側について求め、低周波インピーダンスＺＬおよび高周波インピーダンスＺＨを測定するための適切な周波数ＦＬおよび周波数ＦＨを設定すると共に、適切な第１閾値、第２閾値、および第３閾値を設定すればよい。そして、触媒電極層であるアノードのみが乾燥すると判断される場合には、燃料ガスの供給量を減少させる、あるいは、燃料ガスの背圧を上昇させることとすればよい。また、アノードと共に電解質膜も乾燥すると判断される場合には、燃料ガスの加湿量を増加させればよい。燃料ガスの供給量を減少させるためには、制御部５０は、可変調圧弁４２と水素ポンプ４４とのうちの少なくとも一方に、駆動信号を出力すればよい。燃料ガスの背圧を上昇させるためには、例えば、燃料電池からアノードオフガスが排出される燃料ガス排気管に背圧弁を設け、背圧弁の開度を減少させるように、制御部５０から背圧弁へと駆動信号を出力すればよい。また、燃料ガスの加湿量を増加させるためには、例えば、燃料ガス供給管２２あるいは燃料ガス還流管２４において、気液分離器４５の下流側に、燃料ガスを加湿可能な加湿器を設けて、加湿器における加湿量を増加させればよい。
【００４９】
Ｃ．第３実施形態：
第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせ、アノード側とカソード側の双方において、乾燥状態を判定することとしてもよい。図４に示すような周波数−インピーダンス特性は、アノード側とカソード側とで異なる場合があると考えられる。このような場合には、アノード側とカソード側のそれぞれについて、周波数−インピーダンス特性を求めると共に、低周波インピーダンスＺＬおよび高周波インピーダンスＺＨを測定するための適切な周波数ＦＬおよび周波数ＦＨを設定すると共に、適切な第１閾値、第２閾値、および第３閾値を設定すればよい。そして、アノード側の基準に基づいて、触媒電極層のみが乾燥すると判断されるときには、燃料ガスの供給量の減少と燃料ガスの背圧上昇とのうちの少なくとも一方を行ない、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥すると判断されるときには、燃料ガスの加湿量を増加させればよい。また、カソード側の基準に基づいて、触媒電極層のみが乾燥すると判断されるときには、酸化ガスの供給量の減少と酸化ガスの背圧上昇とのうちの少なくとも一方を行ない、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥すると判断されるときには、酸化ガスの加湿量を増加させればよい。
【００５０】
Ｄ．他の実施形態：
第３実施例とは異なり、アノード側とカソード側とで周波数−インピーダンス特性が近似しており、低周波インピーダンスＺＬおよび高周波インピーダンスＺＨを測定するための適切な周波数ＦＬおよび周波数ＦＨや、適切な第１閾値、第２閾値、および第３閾値を、アノード側とカソード側とで区別して設定することができない場合もあり得る。
【００５１】
このような場合には、触媒電極層のみが乾燥すると判断されるときには、燃料ガスと酸化ガスの双方について、反応ガスの供給量の減少と反応ガスの背圧上昇とのうちの少なくとも一方を行ない、電解質膜と触媒電極層との双方が乾燥すると判断されるときには、燃料ガスと酸化ガスの双方の加湿量を増加させればよい。
【００５２】
あるいは、いずれか一方の触媒電極層の方が乾燥し易いことが予め分かっている場合には、当該乾燥し易い触媒電極層に供給する反応ガスについて、ステップＳ１３０では反応ガスの供給量の減少と反応ガスの背圧上昇とのうちの少なくとも一方を行ない、ステップＳ１４０では反応ガスの加湿量を増加させればよい。
【００５３】
また、ステップＳ１３０において、一方の反応ガスの供給量の減少あるいは背圧上昇の後に、湿潤状態回復の効果が認められない場合には、他方の反応ガスの供給量の減少あるいは背圧上昇を行なうこととしてもよい。そして、ステップＳ１４０において、一方の反応ガスの加湿量を増加させた後に、湿潤状態回復の効果が認められない場合には、他方の反応ガスの加湿量を増加させることとしてもよい。
【００５４】
本発明は、上述の実施形態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なものとして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】
【００５５】
１０…燃料電池システム
１５…燃料電池
２０…燃料ガス供給部
２１…燃料ガスタンク
２２…燃料ガス供給管
２３…燃料ガス排気管
２４…燃料ガス還流管
２５…燃料ガス排出管
３０…酸化ガス供給部
３１…エアコンプレッサ
３２…酸化ガス供給管
３３…酸化ガス排出管
３５…加湿器
３９…背圧弁
４０…主止弁
４２…可変調圧弁
４４…水素ポンプ
４５…気液分離器
４６…パージ弁
５０…制御部
５１…指令信号生成部
５２…重畳信号生成部
５３…目標電圧決定部
５４…インピーダンス測定部
５５…判定部
５６…加湿量制御部
５７…ガス制御部
６０…電力回路
６１…ＤＣ／ＤＣコンバータ
６２…配線
６３…電流センサ
６４…電圧センサ
６５…負荷
７０…単セル
【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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