(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関し、スタック内の含水量を精度よく推定することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池セルを複数積層して締結されたＦＣスタックを備える燃料電池システムにおいて、ＦＣスタックのインピーダンスを読み込む（ステップ１００）。ＦＣスタック１０の締結荷重を読み込む（ステップ１０２）。締結荷重に基づいて、接触抵抗を演算する（ステップ１０４）。インピーダンスおよび接触抵抗に基づいて、内部抵抗を演算する（ステップ１０６）。内部抵抗に基づいて、ＦＣスタック１０の含水量を推定する（ステップ１０８）。【選択図】図６
2009187831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池セルを複数積層して締結されたスタックと、
前記スタックの締結荷重を検出する締結荷重検出手段と、
前記締結荷重に基づいて、前記スタックにおける構成部品間で発生する接触抵抗を演算する接触抵抗演算手段と、
前記スタックのインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記接触抵抗および前記インピーダンスに基づいて、前記スタックにおける前記燃料電池セルの内部抵抗を演算する内部抵抗演算手段と、
前記内部抵抗に基づいて、前記スタックの内部の含水量を推定する含水量推定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記接触抵抗演算手段は、前記締結荷重が大きいほど、前記接触抵抗を小さな値として演算す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】
前記内部抵抗演算手段は、前記インピーダンスと前記接触抵抗との偏差を前記内部抵抗として演算することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記含水量推定手段は、前記内部抵抗が大きいほど、前記含水量を小さな値として推定することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関し、特に、複数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数毎の燃料電池セル（以下、「単位セル」と称す）が積層された燃料電池スタック（以下、「ＦＣスタック」と称す）として使用される。単位セル自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，以下、「ＭＥＡ」と称する）を有し、該ＭＥＡをその両側からセパレータで挟むことで構成されている。そして、アノードに水素を含むアノードガスが供給され、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが供給されることによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。
【０００３】
このようなＦＣスタックを備えたシステムにおいては、ＦＣスタック内を最適な湿潤状態に維持することが求められる。つまり、ＭＥＡが乾燥した状態となると、単位セル内の内部抵抗が大きくなり、出力が低下してしまう。一方、ＭＥＡが水分過剰な状態となると、反応ガス流路が閉塞してしまい、出力が低下してしまう。そこで、従来から、ＦＣスタックの含水量を推定して、反応ガスの加湿量等を制御することにより、ＦＣスタック内を最適な湿潤状態に維持することが行われている。
【０００４】
ＦＣスタック内の含水量を推定する方法として、例えば、特開２００３−８６２２０号公報には、燃料電池の複素インピーダンスを利用する方法が開示されている。このシステムによれば、複素インピーダンスにより得られる、燃料電池の内部水分量が不足した場合に増加する抵抗成分と、内部水分量が過剰な場合に増加する抵抗成分とに基づいて、燃料電池内の含水量を推定することとしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−８６２２０号公報
【特許文献２】特開２００４−２０７１３９号公報
【特許文献３】特開２００６−３２４０６６号公報
【特許文献４】特開２００５−２０３２５３号公報
【特許文献５】特開２００６−１０００９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＦＣスタックのインピーダンスには、スタックを構成する構成部品間の接触抵抗の影響が重畳している。この接触抵抗はスタックの締結荷重に応じて変化する。このため、定寸構造のＦＣスタックにおいては、積層された構成部品が熱や水分の影響で膨張或いは収縮することにより締結荷重が増減し、その結果、接触抵抗が変化してしまう。このため、インピーダンスに基づいてスタック内の含水量を推定する上記従来のシステムでは、接触抵抗が誤差要因となり、スタック内の含水量を精度よく推定できないおそれがあった。
【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、スタック内の含水量を精度よ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。
【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、
反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池セルを複数積層して締結されたスタックと、
前記スタックの締結荷重を検出する締結荷重検出手段と、
前記締結荷重に基づいて、前記スタックにおける構成部品間で発生する接触抵抗を演算する接触抵抗演算手段と、
前記スタックのインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記接触抵抗および前記インピーダンスに基づいて、前記スタックにおける前記燃料電池セルの内部抵抗を演算する内部抵抗演算手段と、
前記内部抵抗に基づいて、前記スタックの内部の含水量を推定する含水量推定手段と、
を備え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、
前記接触抵抗演算手段は、前記締結荷重が大きいほど、前記接触抵抗を小さな値として演算することを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記内部抵抗演算手段は、前記インピーダンスと前記接触抵抗との偏差を前記内部抵抗として演算することを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記含水量推定手段は、前記内部抵抗が大きいほど、前記含水量を小さな値として推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
スタックのインピーダンスには、隣接する構成部品間で発生する接触抵抗に相当する成分と、単位セルの内部抵抗（膜抵抗）に相当する成分とが含まれている。内部抵抗は、燃料電池に含まれる水分量を直接的に示す状態量として使用することができる。一方、接触抵抗はスタックの締結荷重により変化してしまう抵抗値である。本発明によれば、スタックの締結荷重に基づいて接触抵抗が演算され、検出されたスタックのインピーダンスと当該接触抵抗とから演算された内部抵抗に基づいて、スタックの含水量が推定される。このため、本発明によれば、インピーダンスから接触抵抗の影響を効果的に排除することができるので、スタックの含水量を精度よく推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池スタック（以下、「ＦＣスタック」とも称す）１０を備えている。ＦＣスタック１０は、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池であり、主として燃料電池自動車などに搭載されるものである。ＦＣスタック１０は複数枚の単位セル４０を積層されて構成されている。各燃料電池セルは、図示しないプロトン伝導性の電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。単位セル４０の構造に関しては詳細を後述する。
【００１５】
ＦＣスタック１０には、アノードガス（水素）を供給するためのアノードガス流路１２と、アノードオフガス流路１４が接続されている。アノードガス流路１２の上流端は、アノードガス供給源(高圧水素タンクや改質器等) １６に接続され、その下流には調圧弁１８が配置されている。アノードガスは調圧弁１８で減圧され、所望の圧力に減圧されてから燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０内を通ったアノードガスは、アノードオフガスとしてアノードオフガス流路１４に排気される。アノードオフガス流路１４の下流には、図示しない希釈器が接続されている。アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器内で十分に低い濃度まで希釈された後外部に放出される。
【００１６】
また、ＦＣスタック１０には、カソードガス（空気）を供給するためのカソードガス流路２０と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路２２が接続されている。カソードガス流路２０の入口には、外部から取り込まれた空気に含まれている粉塵等を除去するエアクリーナ２４が配置されている。また、その下流にはコンプレッサ２６が配置されている。コンプレッサ２６の作動によって吸入された空気は、カソードガス流路２０を介してＦＣスタック１０に供給される。また、カソードオフガス流路２２には、調圧弁２８が配置されている。調圧弁２８は、ＦＣスタック１０内のカソードガスを所望の圧力に調圧することができる。燃料電池スタック１０内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス流路２２に排気される。
【００１７】
図１に示す燃料電池システムは、ＦＣスタック１０の一端には、スタックの締結荷重を検出するためのロードセル３２が設けられている。また、ＦＣスタック１０の各端子間には、スタックのインピーダンスを検出するためのインピーダンス計３２が設けられている。
【００１８】
本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。燃料電池システムの総合制御はＥＣＵ３０により行われる。ＥＣＵ３０の出力部には、上述したコンプレッサ２６、調圧弁１８、２８の他、図示しない種々の機器が接続されている。ＥＣＵ３０の入力部には、ロードセル３２、インピーダンス計３４の他、図示しない種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ３０は、入力された各種の情報に基づいて、所定のプログラムに従って各機器を駆動する。
【００１９】
［燃料電池スタックの構成］
次に、図２を参照して、本実施の形態のＦＣスタック１０の構成について説明する。図２は、図１に示すＦＣスタック１０の一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。図２に示すとおり、燃料電池スタック１０は単位セル４０を複数積層したスタック構造を有している。単位セル４０は、発電体４２、カソードガスおよびアノードガスが流れる多孔体流路４４および４６、隣接する発電体４２を隔離するセパレータ４８によって構成されている。発電体４２は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）５０の外側に、図示しないガス拡散層をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。
【００２０】
多孔体流路４４および４６は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路４４および４６は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を構造させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。当該多孔体流路４４および４６に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しＭＥＡ５０のアノードおよびカソードに供給される。
【００２１】
図２に示すとおり、燃料電池セル４０には空間が形成されており、これらが単位セル４０の積層方向に延在することにより、カソード系入口マニホールド６０、およびカソード系出口マニホールド６２が形成されている。上述した多孔体流路４４は、上記カソード系入口マニホールド６０とカソード系出口マニホールド６２との間に介在するように設けられている。同様に、燃料電池スタック１０には、図示しないアノード系入口マニホールド、およびアノード系出口マニホールドが形成されている。そして、上述した多孔体流路４６は、上記アノード系入口マニホールドとアノード系出口マニホールドとの間に介在するように設けられている。
【００２２】
セパレータ４８は、ステンレス鋼、チタンなどの導電性の金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。より具体的には、多孔体流路４４と接触するカソードプレート５２と、多孔体流路４６と接触するアノードプレート５４と、これらのプレートの中間に挟まれた中間プレート５６とから構成されている。図２に示すとおり、中間プレート５６には複数の溝が形成されている。これにより、セパレータ４８内部に複数の冷媒流路５８が形成されている。
【００２３】
［実施の形態における動作］
次に、図３乃至図５を参照して、本実施の形態の動作について説明する。本実施の形態のシステムでは、ＦＣスタック１０の締結荷重の変動を織り込んだ含水量の推定動作が行われる。図３は、ＦＣスタック１０のインピーダンス計測値に含まれる抵抗成分について説明するための図である。この図に示すとおり、ＦＣスタック１０のインピーダンスには、接触抵抗と内部抵抗とが含まれている。接触抵抗は、ＦＣスタック１０における積層された構成部品間で発生する接触抵抗を示しており、より具体的には、ＭＥＡ５０と多孔体流路４４，４６との間の接触抵抗、および、多孔体流路４４，４６とセパレータ４８との間の接触抵抗等の総和として定義される。一方、内部抵抗は、ＭＥＡ５０における膜方向の抵抗（膜抵抗）の総和として定義される。
【００２４】
ここで、接触抵抗はＦＣスタック１０の締結荷重に応じて変化する。図４は、ＦＣスタック１０における締結荷重と接触抵抗との関係を示す図である。この図に示すとおり、接触抵抗は、締結荷重が大きいほど小さな値となる。締結荷重は、定寸構造のＦＣスタック１０においては、積層された各構成部品が膨張或いは収縮することにより変化する。より具体的には、例えば、ＦＣスタック１０の温度が上昇すると、各構成部品が熱膨張することにより締結荷重が大きくなる。このため、インピーダンス計測値をＦＣスタック１０の含水量を推定するための状態量として使用すると、接触抵抗が誤差要因となり精度よく含水量を推定することができないおそれがある。
【００２５】
そこで、本実施の形態では、ＦＣスタック１０の内部抵抗に基づいて、当該ＦＣスタック１０内の含水量を推定することとする。ＦＣスタック１０の内部抵抗は、図３に示すとおり、インピーダンスと接触抵抗との偏差として演算される。つまり、内部抵抗はインピーダンスから接触抵抗の影響を排除した値としての意味を持つ。このため、内部抵抗に基づいて、ＦＣスタック１０の含水量を推定することとすれば、推定精度を効果的に向上させることができる。
【００２６】
図５は、ＦＣスタック１０における内部抵抗と含水量との関係を示す図である。この図に示すとおり、内部抵抗が大きいほど、ＦＣスタック内の含水量は小さな値となる。本実施の形態では、図５に示す関係に従って、内部抵抗に対応するＦＣスタック１０の含水量を推定することができる。
【００２７】
［実施の形態における具体的処理］
次に、図６を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図６は、ＥＣＵ３０がＦＣスタック１０の含水量を推定する際に実行するルーチンのフローチャートである。
【００２８】
図６に示すルーチンにおいては、先ず、ＦＣスタック１０のインピーダンスが読み込まれる（ステップ１００）。ここでは、具体的には、インピーダンス計３４の検出信号に基づいて、現在のＦＣスタック１０のインピーダンスが計測される。次に、ＦＣスタック１０の締結荷重が読み込まれる（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、ロードセル３２の検出信号に基づいて、現在のＦＣスタック１０における締結荷重が計測される。
【００２９】
次に、接触抵抗が演算される（ステップ１０４）。ＥＣＵ３０は、締結荷重と接触抵抗との関係を規定したマップ（図４参照）を記憶している。ここでは、具体的には、このマップに従って、上記ステップ１０２において読み込まれた締結荷重に対応する接触抵抗が特定される。
【００３０】
次に、内部抵抗が演算される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において読み込まれたインピーダンスと、上記ステップ１０４において演算された接触抵抗との偏差として、内部抵抗が演算される。
【００３１】
図６に示すルーチンにおいては、次に、ＦＣスタック１０の含水量が推定される（ステップ１０８）。ＥＣＵ３０は、内部抵抗と含水量との関係を規定したマップ（図５参照）を記憶している。ここでは、具体的には、このマップに従って、上記ステップ１０６において演算された内部抵抗に対応する含水量が特定される。
【００３２】
以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、ＦＣスタック１０の締結荷重の変動の影響を排除して、スタック内の含水量を推定することができる。これにより、含水量の推定精度を効果的に向上させることができる。
【００３３】
ところで、上述した実施の形態においては、ロードセル３２を使用してＦＣスタック１０の締結荷重を検出することとしているが、締結荷重を取得する方法はこれに限らず、他の公知の手法により締結荷重を検出或いは推定することとしてもよい。
【００３４】
尚、上述した実施の形態においては、ＦＣスタック１０が前記第１の発明における「スタック」に相当している。また、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第１の発明における「インピーダンス検出手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「締結荷重検出手段」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「接触抵抗演算手段」が、上記ステップ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「内部抵抗演算手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより、前記第１の発明における「含水量推定手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】図１に示すＦＣスタック１０の一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。
【図３】ＦＣスタック１０のインピーダンス計測値に含まれる抵抗成分について説明するための図である。
【図４】ＦＣスタック１０における締結荷重と接触抵抗との関係を示す図である。
【図５】ＦＣスタック１０における内部抵抗と含水量との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  燃料電池（ＦＣ）スタック
１２  アノードガス流路
１４  アノードオフガス流路
１８  調圧弁
２０  カソードガス流路
２２  カソードオフガス流路
２４  エアクリーナ
２６  コンプレッサ
２８  調圧弁
３０  ECU(Electronic Control Unit)
３２  ロードセル
３４  インピーダンス計
４０  単位セル
４２  発電体
４４、４６  多孔体流路
４８  セパレータ
５０  ＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)
【図１】
2009187831.tif 000003
【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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