(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池システムに関し、電流−電圧特性を精度良く推定することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。また、この発明は、濃度過電圧の原因を、反応ガス濃度の低下と、フラッディングとに区別して判定することのできる燃料電池システムを提供することを他の目的とする。【解決手段】燃料電池１２のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水素の濃度を水素濃度センサ６８により検出する。その水素濃度が低いほど濃度過電圧が大きいものとして、濃度分極特性を推定する。その濃度分極特性を算入して、燃料電池１２の電流−電圧特性を推定する。【選択図】図１
2007188665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化剤ガスの供給を受けることにより、発電する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる燃料の濃度と、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスに含まれる酸素の濃度との少なくとも一方を検出する反応ガス濃度検出手段と、
前記燃料電池の電流−電圧特性を推定する電流−電圧特性推定手段と、
を備え、
前記電流−電圧特性推定手段は、前記反応ガス濃度検出手段により検出された濃度が低いほど濃度過電圧が大きいものと推定する濃度分極特性推定手段を含み、該濃度分極特性推定手段により推定された濃度分極特性を算入して、電流−電圧特性を推定するものであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧が、前記電流−電圧特性推定手段により推定された電流−電圧特性に比して有意に低い場合に、フラッディングが発生しているものと判定するフラッディング判定手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は、積層された複数の単位セルを備え、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記複数の単位セルのうち、電圧低下が発生している単位セルを検出する電圧低下セル検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧が前記電流−電圧特性推定手段により推定された電流−電圧特性に一致しており、かつ、電圧低下が発生している単位セルがあることが前記電圧低下セル検出手段により検出された場合に、当該単位セルにおいてフラッディングが発生しているものと判定するフラッディング判定手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記フラッディング判定手段によりフラッディングの発生が判定された場合に、そのフラッディングを緩和または解消するフラッディング緩和制御を行うフラッディング緩和手段を更に備えることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【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係り、特に、電流−電圧特性を推定する手段を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車などに搭載する燃料電池の開発が進められている。燃料電池の電圧は、様々な損失の影響で、理論電圧よりも低下する。このため、燃料電池は、曲線的な電流−電圧特性を示すのが普通である。この電流−電圧特性に比して、燃料電池への要求出力が大き過ぎると、燃料電池の負荷が過大となり、燃料電池にダメージを与えるおそれがある。
【０００３】
理論電圧に比して電圧低下が生じる現象を分極といい、その電圧低下の大きさを過電圧という。分極は、活性化分極、抵抗分極、濃度分極の３つに分けられる。活性化分極や抵抗分極の影響で、燃料電池の電流−電圧特性は、燃料電池の動作温度に応じて変化する。
【０００４】
特開２００４−２６５６８３号公報には、燃料電池にダメージを与える可能性のある条件での燃料電池の運転を回避するべく、動作温度に応じた複数の基準電流−電圧特性を記憶した燃料電池システムが開示されている。このシステムでは、動作温度に応じて、そのときの電流−電圧特性を推定し、推定された電流−電圧特性曲線上における最良動作点と実際の動作点との乖離度合いが許容値を超えないように、燃料電池への要求出力を制限するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２６５６８３号公報
【特許文献２】特開平８−１３８６９１号公報
【特許文献３】特開２００３−９２１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来のシステムでは、電流−電圧特性の推定に際し、反応ガス濃度低下に起因する濃度分極の影響が考慮されていない。このため、例えばセル内の水素濃度低下によって濃度分極が発生している場合には、実際の電流−電圧特性は上記従来のシステムで推定された電流−電圧特性よりも小さくなる。このため、実際の性能に比して過剰な電流が取り出される場合が生じ、その結果、水素欠乏が発生して、燃料電池にダメージを与えるおそれがある。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電流−電圧特性を精度良く推定することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。また、この発明は、濃度過電圧の原因を、反応ガス濃度の低下と、フラッディングとに区別して判定することのできる燃料電池システムを提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化剤ガスの供給を受けることにより、発電する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる燃料の濃度と、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスに含まれる酸素の濃度との少なくとも一方を検出する反応ガス濃度検出手段と、
前記燃料電池の電流−電圧特性を推定する電流−電圧特性推定手段と、
を備え、
前記電流−電圧特性推定手段は、前記反応ガス濃度検出手段により検出された濃度が低いほど濃度過電圧が大きいものと推定する濃度分極特性推定手段を含み、該濃度分極特性推定手段により推定された濃度分極特性を算入して、電流−電圧特性を推定するものであることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧が、前記電流−電圧特性推定手段により推定された電流−電圧特性に比して有意に低い場合に、フラッディングが発生しているものと判定するフラッディング判定手段と、
を更に備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池は、積層された複数の単位セルを備え、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記複数の単位セルのうち、電圧低下が発生している単位セルを検出する電圧低下セル検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧が前記電流−電圧特性推定手段により推定された電流−電圧特性に一致しており、かつ、電圧低下が発生している単位セルがあることが前記電圧低下セル検出手段により検出された場合に、当該単位セルにおいてフラッディングが発生しているものと判定するフラッディング判定手段と、
を更に備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記フラッディング判定手段によりフラッディングの発生が判定された場合に、そのフラッディングを緩和または解消するフラッディング緩和制御を行うフラッディング緩和手段を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、アノードオフガスに含まれる燃料の濃度と、カソードオフガスに含まれる酸素の濃度との少なくとも一方の濃度に基づき、その濃度が低いほど濃度過電圧が大きいものとして、濃度分極特性を推定することができる。そして、そのような濃度分極特性を算入して、燃料電池の電流−電圧特性を推定することができる。このため、第１の発明によれば、反応ガス濃度低下に起因する濃度過電圧の影響を考慮に入れることができるので、電流−電圧特性を高精度に推定することができる。
【００１３】
第２の発明によれば、実際の検出電圧が、推定された電流−電圧特性に比して有意に低い場合に、フラッディングが発生しているものと判定することができる。すなわち、第２の発明によれば、推定された電流−電圧特性に比して実際の検出電圧が有意に低かった場合には、その原因は反応ガス濃度低下にあるのではなく、フラッディングが原因であると判定することができる。このため、第２の発明によれば、フラッディングの発生を精度良く検知することができるので、フラッディングを緩和する措置などを適時に行うことが可能となる。
【００１４】
第３の発明によれば、実際の検出電圧が推定された電流−電圧特性に一致しており、かつ、電圧低下が発生している単位セルがあることが検出された場合には、当該単位セルにおいてフラッディングが発生しているものと判定することができる。すなわち、第３の発明によれば、１枚あるいは複数枚の単位セルにおけるフラッディングの発生を精度良く検知することができる。このため、フラッディングを緩和する措置などを適時に行うことが可能となる。
【００１５】
第４の発明によれば、フラッディングの発生が検知された場合に、そのフラッディングを緩和または解消するフラッディング緩和制御を行うことができる。このため、第４の発明によれば、フラッディングを起こりにくくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
実施の形態１．
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。燃料電池システム１０は、例えば燃料電池自動車に搭載されるものである。燃料電池システム１０は燃料電池１２を備えている。本実施形態において、燃料電池（ＦＣ）１２は固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、２つの燃料電池スタック（スタック１２ａとスタック１２ｂ）から構成されている。
【００１７】
各スタック１２ａ，１２ｂは、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成される単位セルを複数積層して構成される。図１において、矢印Ａは単位セルの積層方向を示している。本実施形態において、スタック１２ａ，１２ｂは、それぞれ、例えば２００個程度の単位セルを備えている。
【００１８】
単位セルに設けられた電解質膜は、例えばフッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されており、触媒層、拡散層を備えている。また、セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。隣接する単位セル同士は、一方のセルのアノードと他方のセルのカソードがセパレータを介して対向した状態で積層されている。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４およびカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は高圧の水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８から各スタック１２ａ，１２ｂ内のアノードへ水素リッチな燃料ガスとしてのアノードガスが送られる。アノードガス流路１４には、水素タンク１８の下流にレギュレータ２０が設けられている。レギュレータ２０は、燃料電池１２の入口におけるアノードガスの圧力を要求される適正圧力に調圧するものである。また、アノードガス流路１４には、レギュレータ２０の下流に圧力センサ２２が接続されている。
【００２０】
カソードガス流路１６にはポンプ２４が設けられており、ポンプ２４の駆動により各スタック１２ａ，１２ｂ内のカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガス（空気）が送られる。
【００２１】
図２は、各単位セルとその周辺の平面構成を示す模式図であって、単位セルの積層方向から各スタック１２ａ，１２ｂの内部を見た状態を模式的に示している。すなわち、図２は、単位セルの積層方向と直交する断面を模式的に示したものである。
【００２２】
図２に示すように、各単位セルには、アノードガスの流路３０とカソードガスの流路３２が設けられている。流路３０，３２は単位セルの積層方向に沿って重なるように設けられているため、図２では各流路３０，３２を破線で略式に示している。図２に示すように、各流路３０，３２はセルの一端から他端に向けて直線状に延在している。
【００２３】
各流路３０，３２の両端には、各流路３０，３２のそれぞれと個別に接続される分配部３４，３５が単位セルの積層方向に重なるように設けられている。分配部３４，３５の更に外側には、マニホールド３６，３８，４２，４４が設けられている。マニホールド３６は分配部３４を介してアノードガスの流路３０と接続されている。また、マニホールド３８は分配部３５を介してカソードガスの流路３２と接続されている。マニホールド３６，３８および後述するマニホールド４２，４４は、単位セルの積層方向に沿って貫通する孔として設けられている。マニホールド３６の端部はアノードガス流路１４に接続され、マニホールド３８の端部はカソードガス流路１６に接続されている。
【００２４】
また、燃料電池１２の各単位セルには冷却液が循環している。これにより、発電に伴う燃料電池１２の過度な温度上昇が抑えられ、燃料電池１２の温度が最適値に設定される。
【００２５】
このような構成によれば、アノードガス流路１４を通って供給されたアノードガスは、各スタック１２ａ，１２ｂのマニホールド３６に送られ、マニホールド３６から分配部３４および流路３０を経由して各単位セルのアノードに送られる。同様に、カソードガス流路１６を通って供給されたカソードガスは、各スタック１２ａ，１２ｂのマニホールド３８に送られ、マニホールド３８から分配部３５および流路３２を経由して各単位セルのカソードに送られる。
【００２６】
燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水（生成水）が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。
【００２７】
アノードから排出されたアノードオフガスは、図２に示すマニホールド４２に送られ、マニホールド４２を経由して図１に示すアノードオフガス流路４６に送られる。アノードオフガス流路４６にはポンプ４８が設けられており、アノードオフガスは、ポンプ４８の駆動により再びアノードガス流路１４へ戻される。アノードガス流路１４に戻されたアノードオフガスは、水素タンク１８からの水素の補充を受けて、再度燃料電池１２へ送られる。アノードオフガスを燃料電池１２に送ることで、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素を燃料電池１２内で反応させることができ、水素の利用効率を高めることができる。また、燃料電池１２に送られるカソードガスの流量は、レギュレータ２０、ポンプ４８により制御することができる。
【００２８】
アノードオフガス流路４６には、アノードオフガス中の水分を捕集する気液分離器５０が設けられている。気液分離器５０には排水弁５２が接続されている。気液分離器５０に捕集されたアノードオフガス中の水分は、排水弁５２を開くことで排出される。
【００２９】
ポンプ４８の下流において、アノードオフガス流路４６には排気弁５４が接続されている。アノードオフガス流路４６→アノードガス流路１４→燃料電池１２の経路からなるアノード循環系に窒素（Ｎ２）等の不純物成分が多く含まれる場合は、排気弁５４を間欠的に開くことでパージを行い、これらの成分を排出する。
【００３０】
また、排気弁５４が接続された箇所の下流には、逆止弁５６が設けられている。逆止弁５６は、アノードガス流路１４からポンプ４８へ向かう流れを阻止する機能を有している。
【００３１】
一方、各単位セルのカソードから排出されたカソードオフガスは、図２に示すマニホールド４４に送られ、マニホールド４４から図１に示すカソードオフガス流路５８に送られる。カソードオフガスは、カソードオフガス流路５８を通り、最終的にはマフラー６０から排出される。カソードオフガス流路５８には、カソードオフガスの圧力を調整する制御弁６２、および制御弁６２の上流におけるカソードオフガス圧力を検出する圧力センサ６４が設けられている。制御弁６２によれば、燃料電池１２から排出されるカソードオフガスの圧力を制御することができる。また、燃料電池１２に送られるカソードガスの流量はポンプ２４、制御弁６２により制御することができる。
【００３２】
また、カソードオフガス流路５８において、マフラー６０の上流には加湿器６６が設けられている。加湿器６６にはカソードガス流路１６が導入されている。加湿器６６は、燃料電池１２内で生成されてカソードオフガスに含まれる水分を吸収し、吸収した水分によりカソードガス流路１６中のカソードガスを加湿する機能を有している。
【００３３】
図１に示すように、本実施形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、システムの運転状態を把握すべく、燃料電池１２の出力（電圧値、電流値）、冷却水温などを検出するための各種センサ（不図示）が接続されており、ＥＣＵ４０は、燃料電池１２が備える各単位セルのセル電圧を検出することができる。また、ＥＣＵ４０には、上述した圧力センサ２２，６４等の各種センサや、レギュレータ２０、排水弁５２、排気弁５４、制御弁６２等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、燃料電池１２の出力、各ガスの圧力、各ガスの流量を制御することで、燃料電池１２を所望の運転状態で運転することができる。
【００３４】
また、ＥＣＵ４０は、燃料電池１２の温度を取得可能になっている。燃料電池１２の温度は、例えば、燃料電池１２内を循環する冷却水の出口温度によって代表することができる。
【００３５】
更に、本実施形態のシステムには、アノードオフガスに含まれる水素の濃度を検出する水素濃度センサ６８が設けられている。水素濃度センサ６８は、ＥＣＵ４０に接続されている。本実施形態では、図１に示すように、水素濃度センサ６８は、燃料電池１２からアノードオフガス流路４６への出口付近に配置されている。なお、水素濃度センサ６８の設置箇所は、これに限定されるものではない。例えば、水素濃度センサ６８は、燃料電池１２の内部に設置されていてもよい。すなわち、アノードオフガスが通るマニホールド４２や、代表となる特定の単位セルのアノードオフガス出口に水素濃度センサ６８を設置しても良い。
【００３６】
［電流−電圧特性の推定］
図３は、燃料電池１２の電流−電圧特性を示す図である。図３に示すように、一般に、燃料電池１２の電圧は、活性化分極、抵抗分極、および濃度分極によって、理論電圧よりも低下する。本実施形態において、ＥＣＵ４０は、燃料電池１２の活性化分極特性、抵抗分極特性、および濃度分極特性をそれぞれ算出することにより、図３に示すような電流−電圧特性（以下、「Ｉ−Ｖ特性」と称する）を推定することができる。
【００３７】
活性化分極は、アノードガス中の水素がアノード触媒において水素イオンとなる際に必要とする活性化エネルギーが損失となって電圧低下を生じる現象である。活性化分極特性は、燃料電池１２の温度に基づいて算出することができる。
【００３８】
抵抗分極は、燃料電池１２の内部抵抗によって電圧低下を生じる現象である。燃料電池１２の内部抵抗は、燃料電池１２の温度や交流インピーダンスに基づいて算出することができる。
【００３９】
濃度分極は、電極における反応ガスの補給や反応生成物の除去が遅れが原因となって電極反応が阻害されることによって電圧低下を生じる現象である。燃料電池１２においては、排気弁５４を閉じていると、カソード側から来る窒素が溜まって窒素濃度が増加していくことにより、アノードの水素濃度が低下していく。排気弁５４を開いて窒素をパージすれば水素濃度を高めることができるが、このとき、アノードオフガス中に残存している水素も流失してしまう。よって、燃料である水素を節約するためは、排気弁５４を必要以上に開くことはできない。このため、アノードの水素濃度がある程度低下することは避けられない。
【００４０】
燃料電池１２では、上述のようなアノードの水素濃度の低下が原因となって、濃度分極が発生し得る。本実施形態では、水素濃度センサ６８により検出される水素濃度に基づいて、アノードの水素濃度低下に起因する濃度分極特性を推定することとした。具体的には、アノードの水素濃度低下に起因する濃度過電圧と、水素濃度センサ６８で検出される水素濃度との関係を実験や理論計算により予め調べておき、その関係をＥＣＵ４０に記憶しておくこととした。図４は、その関係を示すマップである。
【００４１】
濃度分極は、アノードの水素濃度が低下するほど発生し易くなる。このため、図４に示すように、水素濃度センサ６８により検出される水素濃度が低いほど、濃度過電圧は大きくなる関係にある。本実施形態では、水素濃度センサ６８により検出された水素濃度を図４に示すマップに照らし合わせることにより、アノードの水素濃度低下に起因する濃度過電圧（濃度分極特性）を算出することができる。そして、そのようにして算出された濃度過電圧の影響を、Ｉ−Ｖ特性を推定する際に考慮に入れることができる。このため、Ｉ−Ｖ特性を高精度で推定することができる。
【００４２】
［実施の形態１における具体的処理］
図５は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に周期的に実行されるものとする。
【００４３】
図５に示すルーチンによれば、まず、燃料電池１２の活性化分極特性が算出される（ステップ１００）。活性化分極特性（活性化過電圧）は、燃料電池１２の温度と相関を有している。ステップ１００では、まず、燃料電池１２の温度が取得され、その温度に基づいて、活性化分極特性が算出される。
【００４４】
次いで、燃料電池１２の内部抵抗が算出される（ステップ１０２）。具体的には、内部抵抗は、燃料電池１２の温度と、交流インピーダンス（または直流抵抗）とに基づいて、算出される。交流インピーダンスは、ＥＣＵ４０により計測されている。このステップ１０２で算出された内部抵抗に基づいて、抵抗分極特性を算出することができる。
【００４５】
続いて、濃度分極特性が算出される（ステップ１０４）。具体的には、まず、水素濃度センサ６８により水素濃度が検出され、次いで、図４に示すマップが参照されることにより、濃度分極特性が算出される。
【００４６】
以上のようにして算出された活性化分極特性、抵抗分極特性、および濃度分極特性を理論電圧から減算することにより、図３に示すようなＩ−Ｖ特性マップが算出される（ステップ１０６）。
【００４７】
次いで、燃料電池１２への要求電流に対して、上記ステップ１０６で算出されたＩ−Ｖ特性マップに基づき、動作点が算出される（ステップ１０８）。そして、そのようにして算出された動作点で、燃料電池１２の運転が行われる。
【００４８】
なお、上記ステップ１０８で算出された動作点の電圧値が最低電圧閾値（図３参照）よりも低い場合には、その最低電圧の点が動作点とされる（ステップ１１０）。
【００４９】
以上説明した本ルーチンの処理によれば、アノードの水素濃度低下による濃度分極の影響を反映させてＩ−Ｖ特性を推定することができるので、高い推定精度が得られる。このため、燃料電池１２にダメージを与えるおそれがあるような動作点で運転が行われる事態を確実に回避することができる。
【００５０】
（フラッディング判定処理）
本実施形態では、上述した処理に加え、フラッディングの発生を判定する処理を行うこととした。フラッディングは、アノードあるいはカソードの膜付近の水分が過多となることにより、反応ガスの拡散が阻害され、電圧低下を生じる現象である。
【００５１】
前述したように、ＥＣＵ４０は、燃料電池１２の電圧をセンサにより検出（実測）している。そして、本実施形態では、図５に示すルーチンにより、水素濃度低下による濃度過電圧を考慮に入れてＩ−Ｖ特性を推定している。このため、仮に、検出電圧が、推定されたＩ−Ｖ特性と比べて有意に低かった場合には、水素濃度低下以外の原因によって電圧低下（濃度過電圧）が発生していると判断することができる。そして、その原因は、フラッディングである可能性が高いと考えられる。
【００５２】
また、前述したように、ＥＣＵ４０は、各々の単位セルのセル電圧を計測している。そして、燃料電池１２の電圧が推定されたＩ−Ｖ特性に一致していた場合であっても、１枚あるいは複数枚の単位セルだけが電圧低下を生じていることが検出される場合がある。このような場合にも、当該単位セルの電圧低下の原因は、水素濃度低下によるものではなく、フラッディングによるものである可能性が高いと考えられる。
【００５３】
そこで、本実施形態では、上述したような場合には、フラッディングによる濃度過電圧が発生しているものと判定し、フラッディングを緩和または解消するための掃気・排気制御を行うこととした。
【００５４】
図５は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に周期的に実行されるものとする。
【００５５】
図６に示すルーチンによれば、まず、燃料電池１２の検出電圧が取得され、その検出電圧が、上記ステップ１０６で算出されたＩ−Ｖ特性よりも有意に低いか否かが判定される（ステップ１２０）。具体的には、検出電圧が、推定Ｉ−Ｖ特性に比して、所定の判定限度を越えて低かった場合には、検出電圧が推定Ｉ−Ｖ特性よりも有意に低いと判定される。一方、検出電圧と推定Ｉ−Ｖ特性との差が上記判定限度内に入っている場合には、検出電圧が推定Ｉ−Ｖ特性に一致していると判定される。
【００５６】
上記ステップ１２０において、検出電圧が推定Ｉ−Ｖ特性より有意に低いと判定された場合には、燃料電池１２において、フラッディングによる電圧低下が発生しているものと判定される（ステップ１２２）。この場合には、そのフラッディングを緩和または解消するべく、アノードおよびカソードの掃気・排気制御が実行される（ステップ１２４）。
【００５７】
上記ステップ１２４では、具体的には、アノードガス流路１４のレギュレータ２０を短周期で開閉させることによりアノードに脈動流を発生させたり、ポンプ２４の回転数を上げて多量の空気をカソードに流したりして、アノードやカソードの水分を飛ばすための制御が実行される。このような動作が実行されることにより、フラッディングによる電圧低下を緩和または解消することができる。
【００５８】
一方、上記ステップ１２０において、燃料電池１２の検出電圧が推定Ｉ−Ｖ特性に一致していると判定された場合には、次に、各単位セルのセル電圧が取得され、電圧低下が発生している単位セルがあるかどうかが判別される（ステップ１２６）。その結果、他の単位セルに比して電圧が低下している単位セルがあった場合には、その単位セルにおいてフラッディングが発生しているものと判定される（ステップ１２８）。この場合には、そのフラッディングを緩和または解消するべく、上述した掃気・排気制御が実行される（ステップ１２４）。これにより、当該単位セルのフラッディングを緩和または解消することができる。
【００５９】
これに対し、上記ステップ１２６において、電圧が低下している単位セルが検出されていなかった場合には、燃料電池１２の各単位セルにおいてフラッディングは発生していないと判定される。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池１２におけるフラッディングの発生を精度良く検知することができる。このため、フラッディングを緩和するための制御を適切なタイミングで実行することができる。
【００６１】
なお、図６に示すルーチンでは、上記ステップ１２２において燃料電池１２の全体的なフラッディングを検知した場合と、上記ステップ１２８で特定の単位セルのフラッディングを検知した場合とで、同じフラッディング緩和制御を実行することとしているが、それぞれの場合に合わせて、異なる種類のフラッディング緩和制御を実行するようにしてもよい。
【００６２】
また、上記ステップ１２０の判定は、１点のみの比較でなく、多点での比較に基づいて行ってもよい。すなわち、実際のＩ−Ｖ特性を検出し、その実Ｉ−Ｖ特性を推定Ｉ−Ｖ特性と比較して、判定を行ってもよい。
【００６３】
なお、上述した実施の形態１においては、水素濃度センサ６８が前記第１の発明における「反応ガス濃度検出手段」に相当している。また、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１００〜１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「電流−電圧特性推定手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「濃度分極特性推定手段」が、それぞれ実現されている。
【００６４】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、燃料電池１２の電圧をセンサによって検出することにより前記第２および第３の発明における「電圧検出手段」が、上記ステップ１２０および１２２の処理を実行することにより前記第２の発明における「フラッディング判定手段」が、それぞれ実現されている。
【００６５】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１２６の処理を実行することにより前記第３の発明における「電圧低下セル検出手段」が、上記ステップ１２０、１２６および１２８の処理を実行することにより前記第３の発明における「フラッディング判定手段」が、それぞれ実現されている。また、掃気・排気制御が前記第４の発明における「フラッディング緩和制御」に相当しており、ＥＣＵ４０が上記ステップ１２４の処理を実行することにより前記第４の発明における「フラッディング緩和手段」が実現されている。
【００６６】
実施の形態２．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略または簡略する。
【００６７】
図７は、本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための図である。なお、図７において、図１に示す構成要素と同様の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００６８】
実施の形態１では、カソードガスとして空気を使用していたが、実施の形態２のシステムでは、酸素ガスをカソードガスとして使用する。酸素タンク７０には、カソードガスとしての酸素ガスが圧縮された状態で貯蔵されている。酸素ガスは、この酸素タンク７０からカソードガス流路１６へと送られる。カソードガス流路１６には、酸素タンク７０からカソードガス流路１６への酸素流量を調節する制御弁７２が設けられている。
【００６９】
また、実施の形態２のシステムには、カソードオフガスに含まれる酸素の濃度を検出する酸素濃度センサ７４が設けられている。本実施形態では、酸素濃度センサ７４は、燃料電池１２からカソードオフガス流路５８への出口付近に配置されている。なお、酸素濃度センサ７４の設置箇所は、これに限定されるものではない。例えば、酸素濃度センサ７４は、燃料電池１２の内部に設置されていてもよい。すなわち、カソードオフガスが通るマニホールド４４や、代表となる特定の単位セルのカソードオフガス出口に酸素濃度センサ７４を設置しても良い。
【００７０】
本実施形態では、酸素タンク７０に貯蔵された酸素ガスをカソードガスとして使用する。この酸素ガスの使用量を節約するためには、酸素ガスを燃料電池１２に必要以上に供給することを避けなければならない。このため、本実施形態では、カソードの酸素濃度がある程度低下する事態が起こり得る。カソードの酸素濃度が低下すると、これに起因して、濃度分極が起こり易くなる。そこで、本実施形態では、Ｉ−Ｖ特性の推定に際し、カソードの酸素濃度に起因する濃度分極も考慮に入れることとした。
【００７１】
具体的には、まず、実施の形態１と同様に、水素濃度センサ６８により検出される水素濃度に基づき、図４に示すマップに従って濃度分極特性が算出される。その算出された濃度分極特性に対して、酸素濃度センサ７４により検出される酸素濃度に基づいて、補正が施される。すなわち、酸素濃度が低いほど濃度過電圧が大きくなるように、濃度分極特性が補正される。これにより、カソードの酸素低下による電圧低下を考慮に入れた濃度分極特性を算出することができる。そして、その濃度分極特性を算入してＩ−Ｖ特性を推定することにより、本実施形態のシステムにおけるＩ−Ｖ特性を精度良く推定することができる。
【００７２】
上述した実施の形態２では、水素濃度センサ６８および酸素濃度センサ７４が前記第１の発明における「反応ガス濃度検出手段」に相当している。
【００７３】
また、実施の形態２では、水素濃度センサ６８により検出される水素濃度と、酸素濃度センサ７４により検出される酸素濃度との両方に基づいて濃度分極特性を算出しているが、本発明では、酸素濃度センサ７４により検出される酸素濃度のみに基づいて濃度分極特性を算出するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】各単位セルとその周辺の平面構成を示す模式図である。
【図３】燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。
【図４】濃度過電圧と、水素濃度センサで検出される水素濃度との関係を示すマップである。
【図５】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０  燃料電池システム
１２  燃料電池
１４  アノードガス流路
１６  カソードガス流路
２０  レギュレータ
２４  ポンプ
４０  ＥＣＵ
４６  アノードオフガス流路
５８  カソードオフガス流路
６２  制御弁
６８  水素濃度センサ
７４  酸素濃度センサ
【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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