(57)【要約】【課題】電流検知板を用いずに、セル面内の局所的なフラッディングを判定することが可能な方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る燃料電池システムにおけるフラッディング判定方法は、燃料電池４０のインピーダンスをインピーダンス計測部８１により計測するステップと、燃料電池４０の含水量を含水量推定部により推定するステップと、計測されたインピーダンスが第一閾値以上であり、且つ推定された含水量が第二閾値以上の場合に、燃料電池４０に局所的なフラッディングが発生していると判定するステップと、を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが積層された燃料電池を有する燃料電池システムにおけるフラッディング判定方法であって、
前記燃料電池のインピーダンスをインピーダンス計測部により計測するステップと、
前記燃料電池の含水量を含水量推定部により推定するステップと、
前記計測されたインピーダンスが所定値以上であり、且つ前記推定された含水量が所定値以上の場合に、前記燃料電池に局所的なフラッディングが発生していると判定するステップと、を有する燃料電池システムにおけるフラッディング判定方法。
【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おけるフラッディング判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の出力は、燃料電池の内部状態、例えば、電解質膜の湿潤度の影響を受けることが知られている。具体的には、燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には（いわゆるドライアップ）、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には（いわゆるフラッディング）、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。
【０００３】
燃料電池を高効率で運転させるためには、燃料電池の内部水分量の管理を最適に行う必要がある。燃料電池の内部水分量は、燃料電池のインピーダンスと相関関係があり、現在では交流インピーダンス法により燃料電池のインピーダンスを測定し、間接的に燃料電池内部の水分状態を把握することが行われている。
【０００４】
一般的な燃料電池のインピーダンスを測定する方法では、複数のセルが積層された燃料電池スタック全体のインピーダンスしか測定できず、セルの面内における局所的な内部水分量を把握することができないという問題があった。そこで、このような問題を解決するため、下記特許文献１では、セル面内における局所的な内部水分量を、電流検知板を用いて検知する手法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２５２７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１の手法では、セル面内における局所的な内部水分量を把握するために、検出したいポイント毎に導電部が配置された電流検知板が必要となってしまう。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流検知板を用いずに、燃料電池の局所的なフラッディングを判定することが可能な方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムにおけるフラッディング判定方法は、複数のセルが積層された燃料電池を有する燃料電池システムにおけるフラッディング判定方法であって、前記燃料電池のインピーダンスをインピーダンス計測部により計測するステップと、前記燃料電池の含水量を含水量推定部により推定するステップと、前記計測されたインピーダンスが所定値以上であり、且つ前記推定された含水量が所定値以上の場合に、前記燃料電池に局所的なフラッディングが発生していると判定するステップと、を有する。
【０００９】
インピーダンスのみに基づいた判定方法では、燃料電池の湿潤状態を総量として判定できるが、セル面内の局所的なフラッディングを判定することができない。通常は燃料電池の乾燥状態に応じてインピーダンスが増加するが、燃料電池に局所的なフラッディングが発生した場合でもインピーダンスが増加するため、両者の判別がつかないためである。本発明では、インピーダンスの計測値だけでなく含水量の推定値も考慮して判定するため、この含水量をみることにより、インピーダンスの増加が、燃料電池の乾燥状態によるものか、局所的なフラッディングによるものか、を判別することができる。また本発明では、このような局所的なフラッディングを判定するために、複数の導電部が配置された電流検知板を用いずに判定を行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電流検知板を用いずに、燃料電池の局所的なフラッディングを判定することが可能な方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】セルの電気的特性を示す等価回路図である。
【図３】燃料電池の交流インピーダンスを複素平面上に表示したグラフである。
【図４】制御部による局所フラッディング判定処理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】
【００１２】
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１３】
図１は燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００１４】
燃料電池４０（以下、ＦＣとも称する）は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造（燃料電池スタック）を有している。この燃料電池４０の実運転動作点における出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ１４０及び電流センサ１５０によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気などの酸化ガスが供給される。
【００１５】
燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
【００１６】
バッテリ６０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ６０の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ６０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ１１０に並列接続されており、バッテリ６０とインバータ１１０の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ１３０が設けられている。
【００１７】
インバータ１１０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部８０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ６０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ（以下、単にモータ）１１５へ供給する。モータ１１５は、車輪１１６Ｌ、１１６Ｒ（負荷）を駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ１１０によって制御される。
【００１８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ６０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の機能により、バッテリ６０の充放電が実現される。
【００１９】
バッテリ６０とＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類１２０が接続されている。バッテリ６０は、これら補機類１２０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。
【００２０】
制御部８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備え、ＦＣ電圧を検出する電圧センサ１４０や、ＦＣ電流を検出する電流センサ１５０、燃料電池４０の温度を検出する温度センサ５０、バッテリ６０の充電状態を検出するＳＯＣセンサ、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づき、当該システム各部を中枢的に制御する。また、制御部８０は、含水量推定部（図示略）を備える。インピーダンス計測部８１は、各センサ信号に基づき燃料電池４０に交流電流を印加し、インピーダンスを計測することができる。含水量推定部は、各センサ信号に基づき燃料電池４０の含水量を推定することができる。制御部８０は、インピーダンス計測部８１からの計測結果及び含水量推定部からの推定結果を、セル面内における局所的なフラッディング判定処理に用いる。局所的なフラッディング判定処理の詳細は後述する。
【００２１】
図２は燃料電池を構成するセルの電気的な特性を示す等価回路図である。
セルの等価回路は、Ｒ２とＣとの並列接続回路にＲ１が直列接続する回路構成を有している。ここで、Ｒ１は電解質膜の電気抵抗に相当し、Ｒ２は活性化過電圧と拡散過電圧とを抵抗換算したものに相当している。Ｃはアノード電極と電解質膜との界面、及びカソード電極と電解質膜との界面に形成される電気二重層容量に相当している。この等価回路に所定の周波数を有する正弦波電流を印加した場合、電流の変化に対して電圧の応答が遅れる。
【００２２】
図３は燃料電池の交流インピーダンスを複素平面上に表示したグラフである。横軸は交流インピーダンスの実数部を示し、縦軸は交流インピーダンスの虚数部を示している。ωは正弦波電流の角周波数である。
【００２３】
図２に示す等価回路に高周波から低周波までの正弦波信号を印加すると、図３に示すようなグラフが得られる。正弦波信号の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）の交流インピーダンスは、Ｒ１となる。正弦波信号の周波数が非常に小さい場合（ω＝０）の交流インピーダンスは、Ｒ１＋Ｒ２となる。高周波から低周波の間で正弦波信号の周波数を変化させたときに得られる交流インピーダンスは、図３に示すような半円を描く。
【００２４】
このように、交流インピーダンス法を用いることで、燃料電池の等価回路におけるＲ１とＲ２を分離して計測することが可能となる。
【００２５】
続いて、本実施形態におけるフラッディング判定方法について説明する。図４は、燃料電池の局所フラッディング判定処理を示すフローチャートである。
【００２６】
（ステップＳ１１０）
まず、インピーダンス計測部８１により、燃料電池のインピーダンスを計測し、計測されたインピーダンスが第一閾値以上であるか否かを判定する。インピーダンスが第一閾値以上であれば、ステップＳ１２０に進み、第一閾値未満であれば、この判定フローを終了する。なお、通常は、燃料電池の乾燥状態に応じてインピーダンスは増加し、また、燃料電池の局所的なフラッディング状態のときにもインピーダンスは増加するため、これらのインピーダンスの増加を判定可能な任意の値に第一閾値が設定される。
【００２７】
このステップＳ１１０における、インピーダンス計測部８１による燃料電池４０の交流インピーダンス計測は、以下の手順により実施される。
【００２８】
（１）インピーダンス計測部８１は、燃料電池４０の直流電流に正弦波信号を印加する。
（２）インピーダンス計測部８１は電圧センサ１４０によって検出される応答電圧と、電流センサ１５０によって検出される応答電流とを所定のサンプリングレートでサンプリングし、高速フーリエ変換処理（ＦＦＴ処理）を行い、応答電圧と応答電流とをそれぞれ実成分と虚成分とに分割し、ＦＦＴ処理した応答電圧をＦＦＴ処理した応答電流で除して交流インピーダンスの実成分と虚成分とを算出し、複素平面上での原点からの距離ｒと位相角θとを算出する（図３参照）。燃料電池４０の応答電圧と応答電流を計測することで、燃料電池４０の交流インピーダンスを算出することができる。
【００２９】
（ステップＳ１２０）
ステップＳ１１０（ＹＥＳ）に続くステップＳ１２０では、制御部８０の含水量推定部（図示略）により、燃料電池４０の含水量を推定し、推定された含水量が第二閾値以上であるか否かを判定する。第二閾値以上であれば、制御部８０は局所的なフラッディングと判定し、ステップＳ１３０（排水制御）に進み、第二閾値未満であれば、乾燥状態と判定し、ステップＳ１４０（湿潤化制御）に進む。なお、第二閾値は、インピーダンスが第一閾値（ステップＳ１１０）より増加した場合に、燃料電池の乾燥状態によりインピーダンスが増加したのか、或いは、燃料電池の局所的なフラッディングの発生によりインピーダンスが増加したのかを判別することが可能な任意に値に設定される。
【００３０】
ここで、ステップＳ１２０における燃料電池４０の含水量の算出方法について説明する。下記式（１）に基づき、燃料電池の発電状態に基づいて理論的に導出される水収支計算により含水量を算出することができる。
理論水収支（ｇ／ｓ）＝ＦＣ発電による生成水量−ガス持ち去り水量・・・（１）
ＦＣ発電による生成水量（ｇ／ｓ）＝総電流／（２×９６４８５）×セル枚数×１８
ガス持ち去り水量（ｇ／ｓ）・・・カソード出口ガス流量及びカソード出口圧力における飽和蒸気圧に基づいて計算
【００３１】
（ステップＳ１３０）
ステップＳ１２０（ＹＥＳ）に続くステップＳ１３０では、局所的なフラッディングと判定されているため、制御部８０により排水制御が行われる。排水制御としては、燃料電池４０内に発生した過多となっている水分を、燃料電池４０の外部へと排出する制御を行えば特に限定されることはなく、例えば、ガス圧力を脈動供給する等の方法を採ることが可能である。
【００３２】
（ステップＳ１４０）
ステップＳ１２０（ＮＯ）に続くステップＳ１４０では、燃料電池４０の乾燥状態と判定されているため、制御部８０は、湿潤化制御を行う。湿潤化制御としては、燃料電池の内部水分量が増加するような制御を行えば特に限定されることはなく、例えば、燃料電池４０のカソード側に供給される反応ガス（空気）を加湿して供給する制御を行う等の方法を採ることが可能である。
【００３３】
以上説明した、本実施形態におけるフラッディング判定方法は、複数のセルを積層して構成された燃料電池４０を有する燃料電池システム１００におけるフラッディング判定方法であって、燃料電池４０のインピーダンスをインピーダンス計測部８１により計測するステップと、燃料電池４０の含水量を含水量推定部により推定するステップと、インピーダンス計測部８１により計測されたインピーダンスが第一閾値以上であり、且つ含水量推定部により推定された含水量が第二閾値以上の場合に、燃料電池４０に局所的なフラッディングが発生していると判定するステップと、を有する。これらインピーダンスの計測値及び含水量の推定値に基づき、局所的なフラッディングと判定された場合には排水制御が行われ、乾燥状態と判定された場合には湿潤化制御が行われる。
【００３４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３５】
１０：燃料ガス供給源
４０：燃料電池
５０：温度センサ
６０：バッテリ
７０：酸化ガス供給源
８０：制御部
１００：燃料電池システム
１１０：インバータ
１１５：モータ
１２０：補機類
１３０：ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４０：電圧センサ
１５０：電流センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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