(57)【要約】【課題】負荷変動が生じるシステムにおいて、燃料電池の含水状態を判定する。【解決手段】燃料電池の電圧の時系列的な推移から、過渡的な負荷増加に対応した電圧の低下幅に基づいて、燃料電池の含水状態判定を行うための実行条件を具備するか判定し、この実行条件を具備すると判定された場合に、電圧の低下幅と、燃料電池の電気的な抵抗の時系列的な推移とに基づいて、含水状態を判定する。【選択図】図１
2009117066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
燃料電池の電気的な抵抗を検出する抵抗検出手段と、
前記電圧検出手段によって検出される電圧の時系列的な推移から、過渡的な負荷増加に対応した電圧の低下幅に基づいて、前記燃料電池の含水状態判定を行うための実行条件を具備するか判定する第１の判定手段と、
前記判定手段によって実行条件を具備すると判定された場合に、前記電圧の低下幅と、前記抵抗検出手段によって検出される抵抗の時系列的な推移とに基づいて、前記燃料電池の含水状態を判定する第２の判定手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２の判定手段は、前記電圧の低下幅が、前記燃料電池がフラッディングであるか否かを切り分ける第１の判定値より大きい場合には、前記燃料電池のフラッディングを判定するとともに、負荷増加タイミングを始点とする前記抵抗の時系列的な推移に基づいて、フラッディングの要因を判定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２の判定手段は、抵抗の変化幅と、抵抗変化における極大値および極小値の峻険度とに基づいて、前記フラッディングが、前記燃料電池の乾燥状態に起因するのか、それとも前記燃料電池の湿潤状態に起因するのかを判定することを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２の判定手段は、抵抗の変化幅が大きく、かつ、抵抗変化における極大値および極小値の峻険度が高いとを判定した場合には、前記フラッディングが前記燃料電池の乾燥状態に起因すると判定することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２の判定手段は、抵抗の変化幅が小さく、かつ、抵抗変化における極大値および極小値の峻険度が低いと判定した場合には、前記フラッディングが前記燃料電池の湿潤状態に起因すると判定することを特徴とする請求項３または４に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２の判定手段は、負荷増加タイミングにおける抵抗値である初期抵抗から抵抗推移における最小値である最小抵抗を減算した初期抵抗差と、前記初期抵抗との比に基づいて、前記抵抗の変化幅を判定するとともに、抵抗推移における極大値である極大抵抗から前記最小抵抗を減算した極大抵抗差と、前記初期抵抗差との比に基づいて、抵抗変化における極大値および極小値の峻険度を判定することを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２の判定手段によって判定されるフラッディングの要因に基づいて、当該フラッディングを抑制する抑制処理を実行する処理手段をさらに有することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項８】
前記処理手段は、前記第２の判定手段によって前記フラッディングが前記燃料電池の乾燥状態に起因すると判定された場合には、前記抑制処理として、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの湿度を増加させる、または、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスの湿度をそれぞれ増加させることを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
【請求項９】
前記処理手段は、前記第２の判定手段によって前記フラッディングが前記燃料電池の乾燥状態に起因すると判定された場合には、前記抑制処理として、前記燃料電池に供給される燃料ガスより酸化剤ガスの湿度が相対的に高くなるように、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの湿度を調整することを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
【請求項１０】
前記処理手段は、前記第２の判定手段によって前記フラッディングが前記燃料電池の乾燥状態に起因すると判定された場合には、前記抑制処理として、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力を増加させることを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
【請求項１１】
前記処理手段は、前記第２の判定手段によって前記フラッディングが前記燃料電池の湿潤状態に起因すると判定された場合には、前記抑制処理として、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの湿度を減少させることを特徴とする請求項７記載された燃料電池システム。
【請求項１２】
前記処理手段は、前記第２の判定手段によって前記フラッディングが前記燃料電池の湿潤状態に起因すると判定された場合には、前記抑制処理として、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量を増加させるとともに、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力を減少させることを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
【請求項１３】
前記処理手段は、前記第２の判定手段によってフラッディングの要因が判定されない場合には、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量を増加させることを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池の電圧を検出するステップと、
燃料電池の電気的な抵抗を検出するステップと、
検出される電圧の時系列的な推移を参照し、過渡的な負荷増加に対応した電圧の低下幅に基づいて、前記燃料電池の含水状態判定を行う実行条件を具備するか判定するステップと、
前記実行条件を具備すると判定された場合に、前記電圧の低下幅と、前記抵抗検出手段によって検出される抵抗の時系列的な推移とに基づいて、前記燃料電池の含水状態を判定するステップと
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体を主体に構成されるが、その含水状態によって発電性能が左右される。そのため、効率的な発電を行うためには、燃料電池の含水状態を判定することが重要となっている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池の電気的な抵抗を時系列的に測定し、これら測定値のばらつきに関する所定のパラメータ値を算出することにより、電解質膜の湿潤状態を判断する手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２５２８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、燃料電池の負荷が定常状態であることを前提として、抵抗のばらつきから、含水状態、すなわち、正常、水分過多、水分不足を判断しており、負荷が過渡的に変動するような場合には、含水状態を判定することが困難となるという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷変動が生じるシステムにおいて、燃料電池の含水状態を判定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池の電圧の時系列的な推移から、過渡的な負荷増加に対応した電圧の低下幅に基づいて、燃料電池の含水状態判定を行うための実行条件を具備するか判定し、この実行条件を具備すると判定された場合に、電圧の低下幅と、燃料電池の電気的な抵抗の時系列的な推移とに基づいて、含水状態を判定する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、負荷増加に応じて、燃料電池の含水状態を判定することができるので、負荷変動が生じるシステムにおいて、燃料電池の含水状態を有効に判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。
【０００９】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、それぞれが発電要素として機能する複数の燃料電池セル２を積層して構成され、個々の燃料電池セル２は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して構成される。この燃料電池スタック１は、個々の燃料電池セル２において、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
【００１０】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とをさらに有している。
【００１１】
水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元バルブ（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される水素圧力は、水素調圧バルブ１１の開度を制御することによって調整することができる。
【００１２】
燃料極からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１から水素循環流路Ｌ２に排出される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されており、水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ１２といったガス循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ１２を駆動することにより、燃料極からの排出ガスが、水素循環流路Ｌ２を介して燃料電池スタック１の供給側へと循環させられる。
【００１３】
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極を含む水素循環流路Ｌ２内での不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。窒素量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１からの出力が低下するといった不都合が生じるため、燃料極を含む水素循環流路Ｌ２内の窒素量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路Ｌ２には、循環ガスを外部に排出するパージ流路Ｌ３が設けられている。パージ流路Ｌ３には、パージバルブ１３が設けられており、このパージバルブ１３の開き量を調整することにより、パージ流路Ｌ３を介して外部に排出される窒素量を調整することができる。これにより、燃料極および水素循環流路Ｌ２内に存在する窒素量が、発電性能を維持できるように管理される。
【００１４】
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、コンプレッサ２０によって取り込まれるとこれが加圧され、空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ４には、アフタークーラー２１、加湿装置２２が設けられており、コンプレッサ２０から供給される空気は、燃料電池スタック１での反応に適した温度まで冷却されるとともに、また、燃料電池スタック１での反応に適した湿度まで加湿される。酸化剤極からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ５を介して外部に排出される。この空気排出流路Ｌ５は、上述した加湿装置２２を経由して配設されており、これにより、加湿装置２２では、酸化剤極からの排出ガスと、コンプレッサ２０からの空気との間で水分の交換が行われ、コンプレッサ２０からの空気に対する加湿が行われる。また、空気排出流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ２３が設けられている。
【００１５】
冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却水（熱媒体）が循環する閉ループ状の冷却流路Ｌ６を有しており、この冷却流路Ｌ６には、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ３０が設けられている。この冷却水循環ポンプ３０を動作させることにより、冷却流路Ｌ６内の冷却水が循環する。また、冷却流路Ｌ６には、ラジエータ３１と、このラジエータ３１を送風するファン３２が設けられている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷却水は、冷却流路Ｌ６を経由して、ラジエータ３１に流れ、ラジエータ３１によって冷却される。冷却された冷却水は、燃料電池スタック１に供給される。冷却流路Ｌ６は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。
【００１６】
燃料電池スタック１には、電力取出装置３が接続されている。この電力取出装置３は、後述するコントロールユニット４０によって制御され、燃料電池スタック１から電流を取り出すことにより、燃料電池スタック１において発電された電力を、車両を駆動する電動モータ（図示せず）に供給する。
【００１７】
コントロールユニット４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。コントロールユニット４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。このコントロールユニット４０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、水素調圧バルブ１１、水素循環ポンプ１２、パージバルブ１３、コンプレッサ２０、アフタークーラー２１、空気調圧バルブ２３、冷却水循環ポンプ３０、ファン３２、電力取出装置３といった種々の要素を制御する。
【００１８】
本実施形態との関係において、コントロールユニット４０は、以下に示す機能を担っている。具体的には、コントロールユニット４０は、燃料電池スタック１の電圧の時系列的な推移から、過渡的な負荷増加に対応した電圧の低下幅に基づいて、燃料電池スタック１の含水状態判定を行う実行条件を具備するか判定する（第１の判定手段）。また、コントロールユニット４０は、実行条件を具備すると判定された場合に、電圧の低下幅と、燃料電池スタック１の電気的な抵抗の時系列的な推移とに基づいて、燃料電池スタック１の含水状態を判定する。
【００１９】
コントロールユニット４０には、システムの状態を検出するために、電圧センサ４および抵抗センサ５各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。電圧センサ（電圧検出手段）４は、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段であり、本実施形態では、個々の燃料電池セル２を対象として、燃料電池セル２の電圧（以下「セル電圧」という）をそれぞれ検出する。抵抗センサ５は、燃料電池の電気的な抵抗を検出する抵抗検出手段であり、本実施形態では、個々の燃料電池セル２を対象として、燃料電池セル２の電気抵抗（以下「セル抵抗」という）をそれぞれ検出するセンサである。抵抗センサ５としては、例えば、交流抵抗計などを用いることができる。この抵抗センサ５が検出する抵抗は、セルとしての全体的な電気抵抗であり、電解質膜の抵抗のみならず、電解質膜、触媒層などを含む燃料電池構造体やセパレータのバルク抵抗、部材感の接触抵抗などを含む。また、燃料電池スタック１から取り出す電流（以下「取出電流」という）が電力取出装置３によって計測されており、この情報が電力取出装置３からコントロールユニット４０に入力されている。
【００２０】
なお、電圧センサ４および抵抗センサ５は、個々の燃料電池セル２を個別の検出対象とするのみならず、隣接する複数の燃料電池セル２を１セットとして、このセル群毎に検出を行ってもよいし、燃料電池スタック１の総体として、全ての燃料電池セル２を１セットとして、検出を行ってもよい。また、燃料電池スタック１を構成する全ての燃料電池セル２を対象とするのではなく、対象とする燃料電池セル２（あるいは、セル群）を選択して検出を行ってもよい。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態に係るフラッディング判定処理を含む燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、コントロールユニット４０によって実行される。コントロールユニット４０は、個々の燃料電池セル２を処理対象として、フラッディング判定処理を実行する。また、コントロールユニット４０は、かかる処理を実行する前提として、電圧センサ４からセル電圧、抵抗センサ５からセル抵抗、電力取出装置３から取出電流を所定周期で取得し、これらの推移を時系列的にモニタリングしている。
【００２２】
まず、ステップ１（Ｓ１）において、燃料電池スタック１の負荷が過渡的に増加したか否かが判断される。ドライバーがアクセルペダルを踏み込んだといったように、電力取出装置３によって燃料電池スタック１から取り出される電流が急激に増加すると、燃料電池スタック１の負荷が過渡的に増加する。単位時間あたりの負荷変動が小さい場合、すなわち、過渡的に負荷が変動しない場合には、セル電圧の低下も大きなものとはならない。そこで、本実施形態では、セル電圧が大きく低下するような負荷の増加、例えば、０．１A/cm2/sec以上の負荷の増加を過渡状態と規定する。
【００２３】
このステップ１において肯定判定された場合、すなわち、負荷が過渡的に増加した場合には、ステップ２（Ｓ２）に進む。一方、ステップ１において否定判定された場合、すなわち、負荷が過渡的に増加していない場合には、所定時間後に再度ステップ１の判断を行う。
【００２４】
ステップ２において、燃料電池スタック１の含水状態判定を行うための実行条件を具備するか否かが判断される。この実行条件は、セル電圧の低下幅ΔＶが、定常状態のセル電圧である定常セル電圧の１％以上となっていることである。ここで、図３に示すように、定常セル電圧は、一定負荷状態におけるセル電圧の変動幅が±１mV/sec以内となってから、所定のサンプリング時間Ｔ１（例えば、１０sec）におけるセル電圧の平均値Ｖaveとする。また、セル電圧の低下幅ΔＶは、定常セル電圧Ｖaveと、過渡時におけるセル電圧の最小値Ｖlowとの差とする。ただし、定常セル電圧は、セル電圧の変動幅が±１mV/sec以内となる前、また、±１mV/sec以内となってからサンプリング時間Ｔ１に到達するまでの間に、過渡的な負荷増加が発生した場合には、その間の平均値とする。
【００２５】
ここで、セル電圧の低下幅ΔＶが、定常セル電圧の１％よりも小さい場合には、セル電圧の変化が小さい。そのため、このような状態は正常とみなし、燃料電池スタック１の含水状態判定を行わないこととする。なお、上記の「１％」は例示的な値であり、セル電圧の変化が小さく、燃料電池スタック１が正常であると見なせる範囲に設定されるのであれば、燃料電池スタックの特性等に応じて任意に設定することがことができる。
【００２６】
ステップ２において肯定判定された場合、すなわち、実行条件を具備する場合には（ΔＶ≧Ｖave×0.01）、ステップ３（Ｓ３）に進む。一方、ステップ２において否定判定された場合、すなわち、実行条件を具備しない場合には（ΔＶ＜Ｖave×0.01）、ステップ１に戻る。なお、上記の「１％」は例示的な値であり、セル電圧の変化が小さく、燃料電池スタック１が正常であると見なせる範囲に設定されるのであれば、燃料電池スタックの特性等に応じて任意に設定することがことができる。
【００２７】
ステップ３において、フラッディングが発生しているか否かが判断される。具体的には、セル電圧の低下幅ΔＶが、定常セル電圧の５％以上であるか否かが判断される。燃料電池スタック１の酸化剤極に供給されるガスが純酸素である場合、負荷が過渡的に増加した時でもセル電圧の低下はほとんど起こらない。すなわち、過渡的な負荷増加に対応してセル電圧が低下する場合は、酸化剤極における触媒層またはガス拡散層（ＧＤＬ）でのフラッディングに起因していると考えられる。そこで、負荷増加に対応したセル電圧の低下幅ΔＶが、定常セル電圧の５％以上である場合には、フラッディングが発生していると判断する。また、５％よりも小さいケースでは、セル電圧の変化が小さく、同様にセル抵抗の変化も小さいため、後述するようなフラッディング要因の判断が困難となる。
【００２８】
このステップ３において肯定判定された場合、すなわち、フラッディングが発生している場合には（ΔＶ≧Ｖave×0.05）、ステップ４（Ｓ４）に進む。一方、ステップ３において否定判定された場合、すなわち、フラッディングが発生していない場合には（ΔＶ＜Ｖave×0.05）、ステップ１に戻る。なお、上記の「５％」は例示的な値であり、燃料電池スタック１がフラッディングであるか否かを切り分ける値として設定されるのであれば、燃料電池スタック１の特性等に応じて任意に設定することがことができる。
【００２９】
ステップ４において、フラッディングの発生がドライに起因するか否かが判断される。ここで、ドライに起因するフラッディングは、燃料電池スタック１の乾燥状態を要因として生じるフラッディングのことである。具体的には、燃料電池スタック１の乾燥条件時、電解質膜の水移動性が低く、ガス拡散層の排水性が低い場合には、負荷変動にともなって増加したプロトン随伴水（水素イオンとともに移動する水分子）と生成水とが、電解質膜側およびガス拡散層側への移動が制限されることにより、酸化剤極側の触媒層（またはガス拡散層）で瞬間的に溢れ、酸素拡散を阻害するためにフラッディングが発生する。
【００３０】
図４は、負荷増加タイミングＴtrとセル抵抗の時系列的な推移とを示す説明図である。同図（ａ）に示すように、ドライに起因するフラッディングの発生時には、定常状態に至るまでのセル抵抗の変化幅が大きく、極小値および極大値Ｒｐの峻険度が高い、すなわち、明確な極小値および極大値Ｒｐを有する傾向となる。このような傾向を判定すべく、本実施形態では、初期抵抗Ｒ０と最小抵抗Ｒlow（このケースでは極小値）との差（以下「初期抵抗差」という）ΔＲ１と、初期抵抗Ｒ０との比Ｓ１が０．２以上であり、セル抵抗の極大値Ｒｐと極小値との差（以下「極大抵抗差」という）ΔＲ２と、初期抵抗差ΔＲ１の比Ｓ２が０．４以上の場合、ドライに起因するフラッディングが発生していると判定する。
【００３１】
ステップ４において肯定判定された場合、すなわち、ドライに起因するフラッディングの場合には、ステップ５（Ｓ５）に進む。一方、ステップ４において否定判定された場合、すなわち、ドライに起因するフラッディングではない場合には、ステップ（Ｓ６）に進む。なお、比Ｓ１と比較される判定値（本実施形態では、０．２）、および、比Ｓ２と比較される判定値（本実施形態では、０．４）は、例示的な値であり、燃料電池スタック１の特性等に応じて任意に設定することがことができる。具体的には、前者の判定値は、セル抵抗の変化幅を判定するための値であり、後者の判定値は、極小値および極大値の峻険度を判定するための値であり、実験やシミュレーションを通じて最適値を設定することができる。
【００３２】
ステップ５において、要因フラグＦが「１」にセットされる。この要因フラグＦは、フラッディングの要因が反映されるフラグであり、初期的には「０」にセットされている。
【００３３】
ステップ６において、フラッディングの発生がウェットに起因するか否かが判断される。ここで、ウェットに起因するフラッディングは、燃料電池スタック１の湿潤状態を要因として生じるフラッディングのことである。具体的には、燃料電池スタック１の湿潤条件時、ガス拡散層の排水性が低い場合には、負荷変動にともなって増加したプロトン随伴水と生成水とが、ガス拡散層側への移動が制限されることにより、酸化剤極側の触媒層（またはガス拡散層）で瞬間的に溢れ、酸素拡散を阻害するためにフラッディングが発生する。なお、ウェットに起因するフラッディングは、過渡時に限らず定常でも発生する。
【００３４】
図４（ｂ）に示すように、ウェットに起因するフラッディングの発生時には、定常状態に至るまでのセル抵抗の変化幅が小さく、極小値および極大値Ｒｐの峻険度が低い、すなわち、明確な極大値Ｒｐおよび極小値を有しない傾向となる。このような傾向を判定すべく、本実施形態では、初期抵抗差ΔＲ１と、初期抵抗Ｒ０との比Ｓ１が０．１５以下の場合、ウェットに起因するフラッディングが発生していると判定する。
【００３５】
ステップ６において肯定判定された場合、すなわち、ウェットに起因するフラッディングの場合には、ステップ７（Ｓ７）に進む。一方、ステップ６において否定判定された場合、すなわち、ドライに起因するフラッディングではない場合には、ステップ（Ｓ８）に進む。なお、比Ｓ１と比較される判定値（本実施形態では、０．１５）は、例示的な値であり、燃料電池スタック１の特性等に応じて任意に設定することがことができる。具体的には、この判定値は、セル抵抗の変化幅を判定するための値であり、実験やシミュレーションを通じて最適値を設定することができる。
【００３６】
ステップ８において、フラッディングを抑制するフラッディング抑制処理が行われる。この処理では、要因フラグＦが参照される。まず、要因フラグＦが「１」にセットされている場合、すなわち、ドライに起因するフラッディングが生じている場合には、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度および水素の相対湿度を現在の状態よりも増加させる制御を行う。空気の相対湿度を増加させる手法としては、例えば、アフタークーラー２１から排出される温度を低下させたり、冷却水の温度を低下させる等により燃料電池スタック１の入口側の空気温度を低下させたりするといった如くである。一方、水素の相対湿度を増加させる手法としては、冷却水温度を低下させる等により燃料電池スタック１の入口の水素温度を低下させるといった如くである。
【００３７】
これに対して、要因フラグＦが「２」にセットされている場合、すなわち、ウェットに起因するフラッディングが生じている場合には、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度および水素の相対湿度を現在の状態よりも減少させる制御を行う。空気の相対湿度を減少させる手法としては、例えば、アフタークーラー２１から排出される温度を増加させたり、冷却水の温度を増加させる等により燃料電池スタック１の入口側の空気温度を増加させたりするといった如くである。また、加湿装置２２をバイパスする流路を設け、アフタークーラー２１から排出される空気をそのまま燃料電池スタック１へ供給してもよい。一方、水素の相対湿度を減少させる手法としては、冷却水の温度を増加させる等により燃料電池スタック１の入口側の水素温度を増加させるといった如くである。
【００３８】
また、要因フラグＦが「０」にセットされている場合、すなわち、フラッディングであるがその要因が判別できない場合には、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を現在の状態よりも増加させる制御を行う。空気の流量を増加させる手法としては、例えば、コンプレッサ２０の回転数を増加させるといった如くである。
【００３９】
要因フラグＦに応じたフラッディング抑制処理を行い、一連の手順が終了する。この際、要因フラグＦは、「０」にリセットされる。
【００４０】
このように本実施形態では、セル電圧の時系列的な推移から、過渡的な負荷増加に対応したセル電圧の低下幅に基づいて、含水状態判定を行うための実行条件を具備するか判定し、この実行条件を具備すると判定された場合に、セル電圧の低下幅と、セル抵抗の時系列的な推移とに基づいて、含水状態を判定する。このため、負荷変動（負荷増加）に応じて、含水状態を判定することができるので、負荷変動が生じるシステムにおいて、燃料電池の含水状態を有効に判定することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、含水状態としてフラッディングを判定した場合には、さらに、フラッディングの要因を判定する。特に、抵抗の変化幅と、抵抗変化における極大値および極小値の峻険度とに基づいて、フラッディングが、燃料電池の乾燥状態に起因するのか、それとも燃料電池の湿潤状態に起因するのか判定する。これにより、フラッディングの要因を把握することができるので、その後に、フラッディングを抑制するための適切な処置を施すことが可能となる。
【００４２】
また、本実施形態では、フラッディングの要因に応じて、フラッディングを抑制する抑制処理が実行される。これにより、フラッディングを効果的に抑制することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、ドライ起因のフラッディングの場合、抑制処理として、供給される空気および水素の湿度をそれぞれ増加させている。これにより、電解質膜と触媒層中の電解質成分の含水量が多くなり、電解質内で水の移動経路が多く存在するため、過渡時に瞬間的に生成された水が速やかに移動できるようになり、ドライ起因のフラッディングを抑制することができる。
【００４４】
加えて、フラッディングを抑制することにより、図５に示すように、負荷が過渡的に増加しても、セル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。なお、同図において、実線は、抑制処理を実施した場合のセル電圧の推移を示し、破線は、抑制処理を実施しない場合にセル電圧の推移を示す。
【００４５】
また、本実施形態では、ウェット起因のフラッディングの場合、供給される空気の湿度を減少させている。これにより、触媒層、ガス拡散層の乾燥が促進されるため、過渡時に瞬間的に水が増えても、触媒層やガス拡散層の水が過剰になることを抑制することができる。これにより、ウェット起因のフラッディングを抑制することができる。フラッディングを抑制することにより、負荷が過渡的に増加しても、セル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。
【００４６】
さらに、本実施形態では、フラッディングの要因が判定されない場合には、供給される空気の流量を増加させている。これにより、酸素濃度を高くすることができ、図９に示すように、過渡時におけるセル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。ここで、同図において、実線は、抑制処理を実施した場合のセル電圧の推移を示し、破線は、抑制処理を実施しない場合にセル電圧の推移を示す。
【００４７】
なお、上述した本実施形態では、ドライに起因するフラッディングが生じている場合には（Ｆ＝１）、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度および水素の相対湿度を現在の状態よりも増加させる制御を行っているが、これ以外にも、以下に示すような手法により、フラッディングを抑制してもよい。
【００４８】
まず、第１の手法としては、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度のみを現在の状態よりも増加させる制御を行う。このように、カソード供給ガスの相対湿度のみでも、フラッディングを抑制することが可能となる。また、フラッディングを抑制することにより、図６に示すように、負荷が過渡的に増加しても、セル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。なお、同図において、実線は、抑制処理を実施した場合のセル電圧の推移を示し、破線は、抑制処理を実施しない場合にセル電圧の推移を示す。
【００４９】
第２の手法としては、燃料電池スタック１に供給される水素の相対湿度よりも空気の相対湿度が高くなるように、水素および空気の相対湿度を制御する（数式１参照）。
【００５０】
（数式１）
ＲＨｃ’＞ＲＨｃ
ＲＨｃ’＞ＲＨａ’
ここで、ＲＨｃは現在（制御前）の空気の相対湿度、ＲＨｃ’は制御後の空気の相対湿度である。また、ＲＨａ’は、制御後の水素の相対湿度である。
【００５１】
かかる手法によれば、水の逆拡散が起こるため、電解質膜内において、水の流れが酸化剤極から燃料極側となる。この状態で負荷が過渡的に増加し、瞬間的に生成水が増大しても、燃料極側へと水移動がスムーズに起こり、フラッディングを抑制することができる。フラッディングを抑制することにより、図７に示すように、負荷が過渡的に増加しても、セル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。なお、同図において、実線は、抑制処理を実施した場合のセル電圧の推移を示し、破線は、抑制処理を実施しない場合にセル電圧の推移を示す。
【００５２】
第３の手法としては、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を現在の状態よりも増加させる制御を行う。これにより、酸化剤極側の含水量が増大することで、酸化剤極から燃料極への水の逆拡散が促進される。そのため、この状態で瞬間的に生成水が増大しても、速やかに燃料極側へと水移動が起こり、また、空気の圧力を増加させることにより、酸素分圧が増加するため、フラッディングを抑制することができる。フラッディングを抑制することにより、図８に示すように、負荷が過渡的に増加しても、セル電圧の低下を抑制することができる。これにより、要求負荷に対応する電力を燃料電池スタック１から得ることができる。なお、同図において、実線は、抑制処理を実施した場合のセル電圧の推移を示し、破線は、抑制処理を実施しない場合にセル電圧の推移を示す。
【００５３】
また、本実施形態では、ウェットに起因するフラッディングが生じている場合には（Ｆ＝２）、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度および水素の相対湿度を現在の状態よりも減少させる制御を行っているが、これ以外にも、以下に示すような手法により、フラッディングを抑制してもよい。
【００５４】
具体的には、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を現在の状態よりも増加させるとともに、空気の圧力を現在の状態よりも減少させる制御を行う。これにより、空気流量を高く、空気圧力を低くすることで、フラッディングを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図２】フラッディング判定処理を含む燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャート
【図３】セル電圧の低下幅ΔＶおよび定常セル電圧の説明図である。
【図４】負荷増加タイミングＴtrとセル抵抗の時系列的な推移とを示す説明図
【図５】要求負荷とセル電圧との時系列的な推移とを示す説明図
【図６】要求負荷とセル電圧との時系列的な推移とを示す説明図
【図７】要求負荷とセル電圧との時系列的な推移とを示す説明図
【図８】要求負荷とセル電圧との時系列的な推移とを示す説明図
【図９】要求負荷とセル電圧との時系列的な推移とを示す説明図
【符号の説明】
【００５６】
１      燃料電池スタック
２      燃料電池セル
３      電力取出装置
４      電圧センサ
５      抵抗センサ
１０    燃料タンク
１１    水素調圧バルブ
１２    水素循環ポンプ
１３    パージバルブ
２０    コンプレッサ
２１    アフタークーラー
２２    加湿装置
２３    空気調圧バルブ
３０    冷却水循環ポンプ
３１    ラジエータ
３２    ファン
４０    コントロールユニット
【図１】
2009117066.tif 000003
【図２】
2009117066.tif 000004
【図３】
2009117066.tif 000005
【図４】
2009117066.tif 000006
【図５】
2009117066.tif 000007
【図６】
2009117066.tif 000008
【図７】
2009117066.tif 000009
【図８】
2009117066.tif 000010
【図９】
2009117066.tif 000011