(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の膜状態について、信頼性の高いインピーダンス測定結果を利用することが可能とすることである。【解決手段】燃料電池スタックのインピーダンスＺを測定し、所定値ＺＵを超えるか否かが判断される（Ｓ１０，Ｓ１２）。インピーダンスＺが所定値ＺＵを超えると判断されると、次に燃料電池スタックの端部電圧Ｖｅｎｄが測定される（Ｓ１４）。端部に配置される単電池は、中央部に配置される単電池に比べ、その温度が低くなるので、乾燥状態が比較的緩やかで、比較的適度に濡れており、電圧が比較的に高くなる。そこで、この現象を用いて、端部の単電池の電圧Ｖｅｎｄが所定値ＶＬを超えるか否かが判断され（Ｓ１６）、超えるときは、測定で得られたインピーダンスＺを真値として扱い、それに基づいて発電制御が行われる（Ｓ１８）。【選択図】図２
2007335220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単電池を組み合わせた燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、
燃料電池スタックの端部における電圧である端部電圧を測定する電圧検出部と、
測定されたインピーダンスを予め任意に定めた所定値と比較し、さらに端部電圧を燃料電池スタックの平均電圧と比較して、測定されたインピーダンスが真値として扱えるか否かを判断する判断部と、
を含み、真値として扱えるインピーダンスに従って膜の状態を判断することを特徴とする燃料電池の膜状態判断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の膜状態判断装置において、
判断部は、
測定されたインピーダンスが予め任意に定めた所定値に比べ高いときに、端部電圧を燃料電池スタックの平均電圧と比較し、端部電圧が平均電圧より高いときに、測定されたインピーダンスを真値として扱えるものと判断することを特徴とする燃料電池の膜状態判断装置。
【請求項３】
複数の単電池を組み合わせた燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、
燃料電池スタックの端部における電圧である端部電圧を測定する電圧検出部と、
測定されたインピーダンスを予め任意に定めた所定値と比較し、さらに端部電圧を燃料電池スタックの平均電圧と比較して、測定されたインピーダンスが真値として扱えるか否かを判断する判断部と、
真値として扱えるインピーダンスに従って燃料電池スタックの発電を制御する発電制御部と、
を含むことを特徴とする燃料電池の発電制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の発電制御装置において、
判断部は、
測定されたインピーダンスが予め任意に定めた所定値に比べ高いときに、端部電圧を燃料電池スタックの平均電圧と比較し、端部電圧が平均電圧より高いときに、測定されたインピーダンスを真値として扱えるものと判断することを特徴とする燃料電池の発電制御装置。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池の発電制御装置において、
発電制御部は、特定されたインピーダンスに基づき、燃料電池スタックの水温の監視水準を設定して、燃料電池スタックの発電制御を行うことを特徴とする燃料電池の発電制御装置。
【請求項６】
複数の単電池を組み合わせた燃料電池スタックのインピーダンスを測定する工程と、
燃料電池スタックの端部における電圧である端部電圧を測定する工程と、
測定されたインピーダンスが予め任意に定めた所定値に比べ高いときに、端部電圧が燃料電池スタックの平均電圧を超えるか否かを判断する判断工程と、
判断工程において、端部電圧が平均電圧を超えるときに、測定されたインピーダンスの値を真値として特定する工程と、
を含み、特定されたインピーダンスに基づいて燃料電池スタックの膜の状態を判断することを特徴とする燃料電池の膜状態判断方法。
【請求項７】
複数の単電池を組み合わせた燃料電池スタックのインピーダンスを測定する工程と、
燃料電池スタックの端部における電圧である端部電圧を測定する工程と、
測定されたインピーダンスが予め任意に定めた所定値に比べ高いときに、端部電圧が燃料電池スタックの平均電圧を超えるか否かを判断する判断工程と、
判断工程において、端部電圧が平均電圧を超えるときに、測定されたインピーダンスの値を真値として特定する工程と、
特定されたインピーダンスに基づき、燃料電池スタックの発電制御を行う発電制御工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池の発電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の膜状態判断装置、燃料電池の発電制御装置、燃料電池の膜状態判断方法及び燃料電池の発電制御方法に係り、特に、燃料電池のインピーダンスを用いる燃料電池の膜状態判断装置、燃料電池の発電制御装置、燃料電池の膜状態判断方法及び燃料電池の発電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学反応による発電方式を用いた燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有することから近年脚光を浴びている。その中で、水素イオン導電性のイオン交換膜を電解質とする固体高分子型燃料電池が、常温で起動し、起動時間が速い等の利点を有しており、実用化が進められている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を、触媒層を介して２枚のガス拡散層で挟みこれらを一体として接合したセルを積層して構成される。このガス拡散層の一方を燃料ガス極あるいは水素極（アノード）としてその表面に燃料ガスである水素を供給し、他方のガス拡散層を酸化ガス極あるいは酸素極（カソード）としてその表面に酸化ガスを供給することによって、電気化学反応を起こし、起電力を得る。そのとき、カソード側に電気化学反応により水が生成される。
【０００４】
この水がカソードに滞留し、あるいは電解質膜を透してアノード側に滞留すると、ガス拡散層等の電極基材の細孔を閉塞し、ガスの拡散を阻害し、燃料電池の出力が低下する。一方で、固体高分子電解質膜の中をプロトン（Ｈ＋）が移動する際は、水を随伴して水和状態で移動するので、アノード等の電極基材が乾きすぎると、随伴する水分子が不足し、固体高分子電解質膜の抵抗が高くなり、燃料電池の出力が低下する。
【０００５】
このように、固体高分子型燃料電池においては、電解質膜を含む膜が適当に濡れていることが必要であるので、その膜状態を管理することが行われる。
【０００６】
例えば特許文献１には、固体高分子型燃料電池における各ガス拡散電極表面及び電解質膜の濡れ状態を検出する方法として、アノード側とカソード側の電極の他に、電解質膜表面にＰｔ電極を立て、これを基準電極とし、アノード側電極と基準電極との間の電圧Ｖ１、カソード側電極と基準電極との間の電圧Ｖ２、アノード側の電極とカソード側の電極との間の電圧Ｖ３の比較から、アノード側又はカソード側のいずれかが理想状態から逸脱していることを判断することが述べられている。そして、アノード側の電極とカソード側の電極との間のインピーダンスを測定し、インピーダンスの低下からその逸脱が濡れすぎであることを、インピーダンスの上昇からその逸脱が乾きすぎであることを判断することが述べられている。
【０００７】
特許文献２には、燃料電池内の電圧降下を、１）電気化学反応の活性化エネルギに起因する活性化過電圧の成分、２）燃料電池の内部抵抗に起因する抵抗過電圧、３）水素、酸素の拡散が阻害されることに起因する拡散過電圧に分け、水不足の場合は２）が増加し、水過剰の場合は３）が増加することが述べられている。そして燃料電池の等価回路において、２）の成分をＲ１、３）の成分をＲ２とすると、交流インピーダンス法を用い、周波数が∞のときのインピーダンスの実成分がＲ１となり、周波数が０のときのインピーダンスの実成分がＲ１＋Ｒ２となることが示され、これによってＲ１とＲ２を分離できることが述べられている。
【０００８】
ここで、交流インピーダンス法とは、燃料電池から出力される直流電流に正弦波電流を印加し、このときの燃料電池の出力電圧を電圧センサで検出し、出力電流を電流センサで検出し、それらの検出信号をフィルタ処理のあと高速フーリエ変換（ＦＦＴ変換）を行い、ＦＦＴ変換後の電圧信号をＦＦＴ変換後の電流信号で除して、インピーダンスの実成分と虚成分とに分ける方法である。
【０００９】
また、特許文献３には、固体高分子電解質膜の電気抵抗値と、燃料電池の出力電圧とに基づき、電気抵抗値が高いと固体高分子電解質膜が乾燥気味で、電気抵抗値が低くかつ出力電圧が低いと固体電解質膜がフラッディング気味で濡れすぎの状態にあると判断し、水蒸気発生装置と流量制御弁とを用いて加湿制御を行うことが述べられている。
【００１０】
【特許文献１】特開平７−２８２８３２号公報
【特許文献２】特開２００３−８６２２０号公報
【特許文献３】特開平１１−１６２４９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来技術では、固体高分子型燃料電池の膜状態を判断するのに、電圧、抵抗、インピーダンスの測定が行われる。ここでインピーダンスの測定法自体は公知のものであるが、車両に搭載された実績がまだ十分多くはなく、信頼性の確立がまだ十分ではない。したがって、インピーダンス測定結果のみでは燃料電池の膜状態の判断が不正確なものとなることがある。
【００１２】
本発明の目的は、燃料電池の膜状態について、信頼性の高いインピーダンス測定結果を利用することが可能な燃料電池の膜状態判断装置、燃料電池の発電制御装置、燃料電池の膜状態判断方法及び燃料電池の発電制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る燃料電池の膜状態判断装置は、複数の単電池を組み合わせた燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、燃料電池スタックの端部における電圧である端部電圧を測定する電圧検出部と、測定されたインピーダンスを予め任意に定めた所定値と比較し、さらに端部電圧を燃料電池スタックの平均電圧と比較して、測定されたインピーダンスが真値として扱えるか否かを判断する判断部と、を含み、真値として扱えるインピーダンスに従って膜の状態を判断することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池の膜状態判断装置において、判断部は、測定されたインピーダンスが予め任意に定めた所定値に比べ高いときに、端部電圧を燃料電池スタックの平均電圧と比較し、端部電圧が平均電圧より高いときに、測定されたインピーダンスを真値として扱えるものと判断することが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池の発電制御装置は、複数の単電池を組み合わせた燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、燃料電池スタックの端部における電圧である端部電圧を測定する電圧検出部と、測定されたインピーダンスを予め任意に定めた所定値と比較し、さらに端部電圧を燃料電池スタックの平均電圧と比較して、測定されたインピーダンスが真値として扱えるか否かを判断する判断部と、真値として扱えるインピーダンスに従って燃料電池スタックの発電を制御する発電制御部と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池の発電制御装置において、判断部は、測定されたインピーダンスが予め任意に定めた所定値に比べ高いときに、端部電圧を燃料電池スタックの平均電圧と比較し、端部電圧が平均電圧より高いときに、測定されたインピーダンスを真値として扱えるものと判断することが好ましい。
【００１７】
また、発電制御部は、特定されたインピーダンスに基づき、燃料電池スタックの水温の監視水準を設定して、燃料電池スタックの発電制御を行うことが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池の膜状態判断方法は、複数の単電池を組み合わせた燃料電池スタックのインピーダンスを測定する工程と、燃料電池スタックの端部における電圧である端部電圧を測定する工程と、測定されたインピーダンスが予め任意に定めた所定値に比べ高いときに、端部電圧が燃料電池スタックの平均電圧を超えるか否かを判断する判断工程と、判断工程において、端部電圧が平均電圧を超えるときに、測定されたインピーダンスの値を真値として特定する工程と、を含み、特定されたインピーダンスに基づいて燃料電池スタックの膜の状態を判断することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池の発電制御方法は、複数の単電池を組み合わせた燃料電池スタックのインピーダンスを測定する工程と、燃料電池スタックの端部における電圧である端部電圧を測定する工程と、測定されたインピーダンスが予め任意に定めた所定値に比べ高いときに、端部電圧が燃料電池スタックの平均電圧を超えるか否かを判断する判断工程と、判断工程において、端部電圧が平均電圧を超えるときに、測定されたインピーダンスの値を真値として特定する工程と、特定されたインピーダンスに基づき、燃料電池スタックの発電制御を行う発電制御工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池スタックのインピーダンスを測定し、また、複数の単電池から構成される燃料電池スタックの配置の端部における端部電圧を測定し、測定されたインピーダンスを予め任意に定めた所定値と比較し、さらに端部電圧を燃料電池スタックの平均電圧と比較して、測定されたインピーダンスが真値として扱えるか否かを判断し、真値として扱えるインピーダンスに従って膜の状態を判断する。
【００２１】
例えば、燃料電池スタックの膜状態が乾いているときは、燃料電池スタックの全体としては発電状態がよくないので電圧が低いが、端部は温度が低いので膜が乾かずに適当に濡れていて端部の電圧が平均電圧に比べ高くなる。一方、燃料電池スタックの膜状態が適当に濡れているときは、燃料電池スタックの全体として発電状態がよく、電圧が高いが、端部は温度が低いので膜はむしろ濡れすぎとなって電圧が平均電圧に比べ低くなる。したがって、これらの現象を利用し、端部電圧の測定によってインピーダンス測定の結果を補強し、インピーダンスの測定結果の信頼性を高めることができる。そして、真値として扱えるインピーダンスに従って、膜状態を判断し、発電状態を制御するので、燃料電池の膜状態について、信頼性の高いインピーダンス測定結果を利用することが可能となる。
【００２２】
また、測定されたインピーダンスが予め任意に定めた所定値に比べ高いときに、端部電圧を燃料電池スタックの平均電圧と比較し、端部電圧が平均電圧より高いときに、測定されたインピーダンスを真値として扱えるものと判断する。上記のように、この場合は、インピーダンスの測定結果が膜の乾燥気味を示し、端部電圧の測定結果も膜の乾燥気味を示しているので、端部電圧の測定によってインピーダンス測定の結果を補強し、インピーダンスの測定結果の信頼性を高めることができる。
【００２３】
また、真値として特定されたインピーダンスに基づき、燃料電池スタックの水温の監視水準を設定して、燃料電池スタックの発電制御を行う。
【００２４】
例えば、インピーダンスが比較的低い場合は、膜状態が比較的濡れていて反応生成物の水が多いと考えられるので、燃料電池スタックの水温の監視水準を高温側として膜における水分の持ち去り量を多くする。逆にインピーダンスが比較的高いときは、膜状態が比較的乾燥気味であるので、水温の監視水準を低温側とし、膜の水分の持ち去り量を抑制する。このようにして、インピーダンスの測定結果に燃料電池スタックの水温を対応付けて設定することで、膜状態を電気化学反応に適した状態として、発電制御を効果的に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、燃料電池スタックとして、単電池を約２００個直列接続して配置したものを２組組み合わせたものとして説明するが、それ以外の組み合わせの燃料電池の組合せであってもよい。また、燃料電池の膜のインピーダンス測定には、公知の交流インピーダンス法を用いるものとしたが、それ以外の測定方法によってインピーダンスを測定するものとしてもよい。
【００２６】
図１は、燃料電池の膜状態に応じて発電を制御する発電制御システム１０の構成を示す図である。発電制御システム１０は、燃料電池スタック４０のインピーダンスと、燃料電池スタック４０を構成する複数の単電池４２の電圧に基づいて燃料電池スタック４０の膜状態を判断し、発電制御部２０に指示を与えて燃料電池スタック４０の発電を制御する機能を有する。
【００２７】
燃料電池の発電制御システム１０は、制御の対象である燃料電池スタック４０を除く部分で構成されるが、さらに発電制御部２０を除いた部分が、燃料電池の膜状態を判断して発電制御部２０に指示を与える燃料電池膜状態判断装置１１に相当する。
【００２８】
燃料電池スタック４０は、複数の単電池４２を組み合わせて高電圧の電池パックとするものである。例えば、端子電圧が約１．２Ｖの単電池を約２００個直列接続し、これを２組組み合わせて、合計約４００個の単電池で約５００Ｖの高電圧の電池パックとすることができる。
【００２９】
燃料電池の膜状態判断装置１１は、ＣＰＵ１２と、燃料電池スタック４０を構成する各単電池４２に設けられる各電圧センサに対するインタフェース回路である電圧検出Ｉ／Ｆ１４と、燃料電池スタック４０のインピーダンスを測定するための交流インピーダンス測定回路を含むインピーダンス測定Ｉ／Ｆ１６と、燃料電池スタック４０に設けられる冷却水水温センサに対するインタフェース回路である水温検出Ｉ／Ｆ１８とを含んで構成される。各要素は、信号線あるいは内部バスによって相互に接続される。また、ＣＰＵ１２は、発電制御部２０と接続される。
【００３０】
インピーダンス測定Ｉ／Ｆ１６に含まれる交流インピーダンス測定回路は、公知の構成を用いることができる。例えば、燃料電池スタック４０の全体から出力される直流電流に正弦波電流を印加する正弦波印加部と、これを出力電流として検出する電流センサと、このときの燃料電池スタック４０の全体についての出力電圧を検出する電圧センサと、それらの検出信号をフィルタ処理するフィルタ部と、フィルタ部の出力を高速フーリエ変換するＦＦＴ変換部と、ＦＦＴ変換後の電圧信号をＦＦＴ変換後の電流信号で除してインピーダンスとするインピーダンス算出部とを有する回路ブロックを交流インピーダンス測定回路として用いることができる。
【００３１】
かかる燃料電池の膜状態判断装置１１は、車載用コンピュータによって構成することができる。あるいは、燃料電池の膜状態判断装置１１の機能を、車両に搭載される他の制御用コンピュータの機能に含ませることができる。例えば、発電制御部２０を構成するコンピュータに、燃料電池の膜状態判断装置１１の機能を実行させるものとすることができる。
【００３２】
ＣＰＵ１２は、インピーダンス測定Ｉ／Ｆ１６に指示して燃料電池スタック４０のインピーダンスを検出させ、その結果を取得するインピーダンス測定モジュール３０と、電圧検出Ｉ／Ｆ１４から各単電池４２の電圧検出データを受け取って処理して燃料電池スタック４０の端部電圧を求める端部電圧測定モジュール３２と、インピーダンスと端部電圧とに基づいて燃料電池スタック４０の膜状態を判断する膜状態判断モジュール３４と、膜状態判断に基づいて発電制御部２０に発電制御の指示を与える発電制御モジュール３６とを含んで構成される。かかる機能は、ソフトウェアで実現でき、具体的には、膜状態に基づく発電制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとすることもできる。
【００３３】
かかる構成の燃料電池の発電制御システム１０の作用、特にＣＰＵ１２の各機能の内容につき、図２のフローチャートと、図３、図５の燃料電池スタックの特性図と、図４の燃料電池スタックにおける単電池の配置図と、図６のインピーダンス−目標水温関係図を用いて、以下に説明する。図２は、燃料電池スタック４０の膜状態に基づいて実行される発電制御の手順を示すフローチャートである。図３は燃料電池スタックの温度と電圧の特性を示す図で、図５は、燃料電池スタック４０の膜状態が適度に濡れている場合の温度と電圧の特性を参考のために示す図である。図４は、図３における単電池の配置位置を説明する図である。図６は、インピーダンスに基づいて発電制御を行うために、燃料電池スタック４０の冷却水の目標水温をインピーダンスに関連付けて示す図である。
【００３４】
図２に従って、燃料電池スタック４０の膜状態に基づいて発電制御を行う手順の最初は、燃料電池スタック４０のインピーダンスＺを測定する（Ｓ１０）。この機能は、ＣＰＵ１２のインピーダンス測定モジュール３０によって実行される。具体的には、動作している燃料電池スタック４０に対し、その出力電流に任意の正弦波信号を加え、出力電流と出力電圧とについてＦＦＴ変換を行ってインピーダンスを算出する。インピーダンスは、実部のみを算出してもよく、実部と虚部の二乗和の平方根である実効値で算出してもよい。
【００３５】
次に算出されたインピーダンスＺを予め任意に定めた所定値Ｚ０と比較する。所定値Ｚ０は、インピーダンス測定によって、燃料電池スタック４０の膜状態が乾燥しているか、適当に濡れている状態かを確実に区別できる値とすることが好ましい。ここで適当に濡れている状態とは、膜状態が電気化学反応に適した状態で、出力電圧が所望の範囲に入る状態のことである。したがって、所定値Ｚ０は、燃料電池スタック４０の構成等によって異なる値で、実験あるいは経験上から定めることができる。例えば、燃料電池スタック４０の膜状態が適度の濡れ状態にあるとき、インピーダンスの上限値がＺＵで、下限値がＺ０であるとすると、膜が乾燥しているか否かの判断ための所定値をＺＵとすることができる。
【００３６】
そこで、インピーダンスＺが所定値ＺＵを超えるか否かが判断される（Ｓ１２）。インピーダンスＺが所定値ＺＵを超えると判断されると、次に燃料電池スタック４０の端部電圧Ｖｅｎｄが測定される（Ｓ１４）。この機能は、ＣＰＵ１２の端部電圧測定モジュール３２によって実行される。
【００３７】
端部電圧とは、複数の単電池を整列配置して燃料電池スタック４０を構成するときにおいて、燃料電池スタック４０の端部の単電池の電圧、すなわち、単電池の一方側が他の単電池であるが他方側が外部に面している単電池の電圧のことである。端部に配置される単電池は、他方側が外部に面しているので、両側が他の単電池に挟まれている中央部に配置される単電池に比べ、その温度が低くなる。そのために、仮に燃料電池スタック４０の膜状態が乾いているとすると、中央部の各単電池は乾燥状態で水が不足するが、端部の単電池は温度が低いため、乾燥状態が比較的緩やかで、したがって、比較的適度に濡れており、電圧が比較的高くなる。
【００３８】
その状態を図３に示す。図３は、横軸に燃料電池スタック４０を構成する各単電池４２の配置位置を示し、縦軸には、横軸を共通にして各単電池４２についての温度と電圧とを示したものである。各単電池４２の配置位置のうち、ａ，ｂ，ｃで示す位置が端部の単電池の配置位置である。図４は、燃料電池スタック４０における各単電池４２の配置状態を平面図で示すもので、上記のように燃料電池スタック４０は、約２００個の単電池４２を２つ組み合わせて構成されるので、その端部は、図４に示すように、ａ，ｂ，ｃの３箇所となる。
【００３９】
したがって、図３において、単電池４２の温度は、端部ａ，ｂ，ｃに配置される単電池の温度が、他の部分に配置される単電池の温度に比べ、低くなる。そして、燃料電池スタック４０の中央部の単電池の膜状態が乾燥しており、それらの単電池の電気化学反応が不十分となり、電圧が低下しても、端部の単電池は温度が低い分、乾燥が緩やかとなり、その電圧が中央部の単電池の電圧よりも高くなることが示されている。図３では、中央部の単電池の電圧がＶＬとして示され、端部の単電池の電圧がＶｅｎｄは、ＶＬより高いことが示されている。
【００４０】
参考のため、燃料電池スタック４０の膜状態が適当に濡れている場合の各単電池４２の配置位置と電圧との関係を図５に示す。図５は、図３に対応する図で、図３と同様に、単電池４２の温度は、端部ａ，ｂ，ｃに配置される単電池の温度が、他の部分に配置される単電池の温度に比べ、低くなることが示されている。そして、燃料電池スタック４０の中央部の単電池の膜状態が適当に濡れているときは、それらの単電池の電気化学反応が十分であり、電圧が所望の値となる。しかし、端部の単電池は温度が低い分、乾燥が不十分、すなわち、濡れすぎとなって、いわゆるフラッディング状態となり、水分によって膜が覆われ、燃料ガスあるいは酸化ガスが拡散せず、その電圧が中央部の単電池の電圧よりも低くなることが示されている。図５では、中央部の単電池の電圧がＶ０として示され、端部の単電池の電圧がＶｅｎｄは、Ｖ０より低いことが示されている。
【００４１】
図３と図５とを比較すると、端部電圧Ｖｅｎｄを中央部の単電池の電圧と比較することで、燃料電池スタックの膜の状態を定性的に知ることができることが分かり、特に、膜が乾燥しているときは、端部電圧Ｖｅｎｄが燃料電池スタックの中央部の単電池の電圧よりも高くなることが分かる。
【００４２】
そこで、この現象を用いて、端部の単電池の電圧Ｖｅｎｄが、燃料電池スタック４０の平均電圧を超えるか否かが判断される。燃料電池スタック４０の平均電圧は、実際的には、燃料電池スタック４０の中央部の単電池の電圧ＶＬをそのまま用いることができる。したがって、以下ではＶＬを燃料電池スタック４０の平均電圧とする（Ｓ１６）。
【００４３】
そして、Ｓ１２においてインピーダンスＺが所定値ＺＵを超え、Ｓ１６において端部電圧Ｖｅｎｄが所定値ＶＬを超えるときは、インピーダンスＺの測定の結果も膜の乾燥状態を示し、端部電圧Ｖｅｎｄの測定結果もまた膜の乾燥状態を示しているので、膜が乾燥していると判断できる。この機能は、ＣＰＵ１２の膜状態判断モジュール３４によって実行される。
【００４４】
また、Ｓ１２においてインピーダンスＺが所定値ＺＵを超え、Ｓ１６において端部電圧Ｖｅｎｄが所定値ＶＬを超えるときは、測定で得られたインピーダンスＺを真値として扱うことができる。なお、Ｓ１２においてインピーダンスＺが所定値ＺＵ以下と判断され、あるいはＳ１６において端部電圧Ｖｅｎｄが所定値ＶＬ以下であると判断されると、インピーダンスＺは真値と扱われず、以後の処理にこのインピーダンスＺは用いられない（Ｓ２０）。ここでは、インピーダンスＺの真値判断が行われている。そして、真値と判断されたインピーダンスＺを用いて、発電制御が行われる（Ｓ１８）。これらの機能は、ＣＰＵ１２の発電制御モジュール３６によって実行される。特に、交流インピーダンス法は、インピーダンスＺの値が高い方が精度がよいので、この真値とされたインピーダンスＺの値に基づいて、発電制御を定量的に行うことができる。
【００４５】
発電制御は、インピーダンスＺの値に従って、燃料ガスの量あるいは酸化ガスの量等を制御して実行することができる。また、燃料電池スタック４０の冷却水の水温の監視水準を用いて発電制御を行うことができる。例えば、燃料電池スタック４０の冷却水の水温が下がると、膜における水分の持ち去り量が減少し、膜が濡れ気味になる。逆に冷却水の水温が上がると、膜における水分の持ち去り量が増加し、膜が乾燥気味となる。そこで、インピーダンスＺの測定値が高いときは、冷却水水温の監視水準を低温側とし、逆にインピーダンスＺの測定値が低いときは、冷却水水温の監視水準を高温側とすることで、膜の濡れ状態を電気化学反応に適したものに維持し、発電を効率よく行うことができる。
【００４６】
図６は、燃料電池スタック４０の膜の濡れ状態を電気化学反応に適したものに維持するための条件として、インピーダンスＺと冷却水の水温とを関係づけたものである。例えば、インピーダンスＺが２００ｍΩのときは、燃料電池スタック４０の冷却水の水温の監視水準を７０℃とし、インピーダンスＺが３００ｍΩと高くなると、水温の監視水準を下げて６５℃とする。このように、インピーダンスＺの測定値に応じて、燃料電池スタック４０の冷却水の水温監視水準を変更して、発電制御を行うことができる。
【００４７】
なお、以上では、膜が乾燥している場合、すなわちインピーダンスＺが所定値ＺＵを超える場合について説明した。同様に、膜が濡れすぎてフラッディング状態にある場合についても、インピーダンス測定の結果に対し、端部電圧のデータによる補強あるいは裏づけを行って、インピーダンスＺの真値判断をすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る実施の形態において、燃料電池の膜状態に応じて発電を制御する発電制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、燃料電池スタックの膜状態に基づいて実行される発電制御の手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係る実施の形態において、燃料電池スタックの温度と電圧の特性を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、単電池の配置位置を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、燃料電池スタックの膜状態が適度に濡れている場合の温度と電圧の特性を参考のために示す図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、インピーダンスに基づいて発電制御を行うために、燃料電池スタックの冷却水の目標水温をインピーダンスに関連付けて示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  燃料電池発電制御システム、１１  燃料電池膜状態判断装置、１２  ＣＰＵ、１４  電圧検出Ｉ／Ｆ、１６  インピーダンス測定Ｉ／Ｆ、１８  水温検出Ｉ／Ｆ、２０  発電制御部、３０  インピーダンス測定モジュール、３２  端部電圧測定モジュール、３４  膜状態判断モジュール、３６  発電制御モジュール、４０  燃料電池スタック、４２  単電池。
【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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