JP2007053013A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 燃料電池内部における水分過剰状態を、より早く検知する。
【解決手段】 固体高分子型の燃料電池２０を備える燃料電池システム１０は、燃料電池２０に対して一定の周波数及び振幅にて交流電流を印加する交流電流発生部５２と、燃料電池２０を構成する特定の単セルにおける出力電圧から交流電流に起因する交流成分を分離して、経時的に交流成分の電圧値を取得する交流電圧取得部（フィルタ部７１Ａ／Ｄ変換器７２および制御部５４）と、燃料電池２０が湿潤傾向にあるか否かを判定する湿潤状態判定部（制御部５４）と、湿潤状態判定部において、燃料電池２０が湿潤傾向にあると判定されたときに、経時的に取得された前記交流成分の電圧値のばらつきの大きさを示す統計値を求め、該ばらつきの大きさを示す統計値が基準値を超える場合に、燃料電池２０が湿潤過剰であると判定する湿潤過剰判定部（制御部５４）とを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料電池を備える燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。
固体高分子型燃料電池は、湿潤状態にある時にプロトン伝導性を示す固体高分子膜を電解質層として用いるため、発電状態を良好に維持するためには、固体高分子膜を充分な湿潤状態に保つことが重要となる。また、このような燃料電池では、発電に伴ってカソードにおいて水が生じるが、水の生成が過剰となるときや生成水の排水が滞るときには、いわゆるフラッディングと呼ばれる状態となって、カソード触媒に対するガス供給が不十分となる場合がある。そのため、従来から、電解質層や触媒およびその周辺において含有される水分量を適切に維持するための制御が行なわれてきた。このような水分量の制御を行なうために、電解質層における加湿状態を判定する方法として、燃料電池を構成する単セルの出力電圧のばらつきに基づく方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、出力電圧のばらつきが大きいときに、電解質層における水分量が過剰となっていると判定することができる。
特開２０００−２４３４１８号公報 特開２００２−３６７６５０号公報 特開２０００−２０８１６１号公報 特開２００３−２９７４０８号公報 特開２００３−８６２２０号公報
しかしながら、上記のように出力電圧のばらつきが大きいことが検出されたときには、固体高分子膜における水分過剰状態がすでに進行しており、発電効率が低下し始めた状態となっている。水分過剰状態が検出されたときには、ガス流量や加湿量、あるいはガス圧を調節することによって水分過剰状態の解消が図られるが、燃料電池の発電状態を良好に維持するためには、より早く、水分過剰状態を検知可能とすることが望まれていた。
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池内部における水分過剰状態を、より早く検知することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に対して一定の周波数及び振幅にて交流電流を印加する交流電流発生部と、
前記燃料電池を構成する所定の単セルにおける出力電圧から前記交流電流に起因する交流成分を分離して、経時的に前記交流成分の電圧値を取得する交流電圧取得部と、
前記燃料電池が湿潤傾向にあるか否かを判定する湿潤状態判定部と、
前記湿潤状態判定部において、前記燃料電池が前記湿潤傾向にあると判定されたときに、経時的に取得された前記交流成分の電圧値のばらつきの大きさを示す統計値を求め、該ばらつきの大きさを示す統計値が基準値を超える場合に、前記燃料電池が湿潤過剰であると判定する湿潤過剰判定部と
を備えることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池が湿潤傾向にあると判定したときに、交流成分の電圧値のばらつきの大きさを示す統計値が基準値を超えるときには、燃料電池が湿潤過剰であると判定するため、より早く、燃料電池が湿潤過剰であるとの判定を行なうことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記湿潤過剰判定部は、経時的に取得された前記交流成分の電圧値と前記交流電流の電流値とから、前記単セルにおける抵抗値を経時的に導出すると共に、前記電圧値のばらつきの大きさを示す統計値として、前記抵抗値のばらつきの大きさを示す統計値を求めることとしても良い。
交流電流発生部により印加する電流値が一定であるため、電圧値のばらつきの大きさを示す統計値は、抵抗値のばらつきの大きさを示す統計値として把握することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記湿潤状態判定部は、経時的に取得された前記交流成分の電圧に係る値について平均化処理を行なって平均化値を生成すると共に、該平均化値が基準値よりも小さいときに、前記燃料電池が湿潤傾向にあると判定することとしても良い。
このような構成とすれば、出力電圧から分離した交流成分における電圧に係る値においてノイズを除去して、電圧値のレベルに基づいて、燃料電池が湿潤傾向にあるか否かを判定することができる。
このような本発明の燃料電池システムにおいて、
前記湿潤状態判定部は、経時的に取得された前記交流成分の電圧値と前記交流電流の電流値とから、前記単セルにおける抵抗値を経時的に導出すると共に、前記電圧に係る値についての平均化処理として、前記抵抗値についての平均化処理を行ない、前記平均化値を生成することとしても良い。
交流電流発生部により印加する電流値が一定であるため、電圧に係る値についての平均化処理として、電圧値を電流値で除して得られる抵抗値についての平均化処理を行なうことができる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムにおける湿潤過剰判定方法や、燃料電池システムを搭載する移動体などの形態で実現することが可能である。
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．システムの全体構成：
Ｂ．フラッディング判定の動作：
Ｃ．変形例：
Ａ．システムの全体構成：
図１は、本発明の実施例である燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、燃料ガス供給部３０と、酸化ガス供給部４０とを備えている。また、燃料電池システム１０は、上記燃料電池２０における湿潤状態を判定するために、電圧検出部５０と交流電流発生部５２と制御部５４と、を備えている。
燃料電池２０は、固体高分子型の燃料電池である。図２は、燃料電池２０の構成単位である単セル２１を表わす断面模式図である。単セル２１は、電解質膜２２、アノード電極２３、カソード電極２４、ガス拡散層２５，２６、セパレータ２７，２８によって構成されている。
電解質膜２２は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な導電性を示す。アノード電極２３およびカソード電極２４は、電解質膜２２上に形成された層であり、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）と、プロトン伝導性を有する電解質と、電子伝導性を有するカーボン粒子と、を備えている。ガス拡散層２５，２６は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。セパレータ２７，２８は、ガス不透過の導電性部材によって形成されており、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成することができる。
セパレータ２７，２８は、その表面に、単セル２１内のガス流路を形成するための凹凸形状を有している。セパレータ２７は、ガス拡散層２５との間に、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路２７ａを形成する。また、セパレータ２８は、ガス拡散層２６との間に、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路２８ａを形成する。なお、単セル２１の外周部には、単セル２１の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル２１に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路２７ａ内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル２１に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路２８ａ内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。
燃料電池２０は、このような単セル２１が複数積層されたスタック構造を有している。なお、燃料電池２０には、さらに、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路が設けられている（図示せず）。冷媒流路は、例えば、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるセパレータ２７と、他方の単セルが備えるセパレータ２８との間に設けることができる。
燃料電池２０は、スタック構造の両端に、さらに集電板６０，６１を備えている。集電板６０，６１には、それぞれ配線６２または配線６３が接続されており、配線６２，６３を介して燃料電池２０から負荷６４に対して電力が供給される。また、集電板６０，６１にはさらに、それぞれ配線６５または配線６６が接続されており、この配線６５，６６は、交流電流発生部５２に接続されている。交流電流発生部５２は、一定の周波数および振幅を示す交流電流を発生する装置であり、この交流電流発生部５２によって、燃料電池２０の集電板６０，６１間に微弱な高周波交流電流が印加される。交流電流発生部５２による交流電流の印加は、燃料電池２０を構成する単セル２１における抵抗値（インピーダンス）を得るための動作であり、後に詳しく説明する。
また、本実施例の燃料電池２０では、スタック構造を構成する単セル２１の内の特定の１つの単セルに対して、電圧検出部５０が設けられている。電圧検出部５０は、電圧センサ７０と、フィルタ部７１と、Ａ／Ｄ変換器７２とを備えている。上記特定の単セルには、配線７３，７４を介して電圧センサ７０が接続されており、上記単セルにおける出力電圧を測定可能となっている。また、配線７３，７４には、さらに、電圧の直流成分を除去して交流成分を得るためのフィルタ部７１と、フィルタ部７１によって分離された電圧の交流成分に関する信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器７２が接続されている。なお、上記電圧検出部５０は、後述するように、特定の単セルの電圧を検出することによって、この特定の単セルにおける湿潤状態を判定するために設けるものである。したがって、電圧検出部５０を設ける特定の単セルは、スタック構造全体の中で、フラッディングがより起きやすいと予想される単セル、例えば、スタック構造の端部に位置して温度が比較的低くなりやすい単セル、とすることが望ましい。
電圧センサ７０によって測定される電圧は、燃料電池２０が発電することで生じる出力電圧と、交流電流発生部５２により印加される交流電流に起因して発生する電圧との和として得られる。図３は、燃料電池２０の特定の単セルにおける電圧の様子を表わす説明図である、図３（Ａ）は、燃料電池２０が発電することで生じる出力電圧が一定の値を取る様子を表わす。この燃料電池２０からの出力電圧は、直流電圧である。図３（Ｂ）は、交流電流発生部５２により印加される交流電流に起因して発生する電圧を表わす。これは、交流電圧である。図３（Ｃ）は、電圧センサ７０において検出される電圧を表わす。電圧センサ７０では、図３（Ａ）に示す直流電圧に、図３（Ｂ）に示す交流電圧が重畳された電圧が検出される。燃料電池２０の出力電圧は、実際には、負荷変動や燃料電池２０の温度によって時間と共に変動するが、フィルタ部７１を経由してＡ／Ｄ変換器７２から信号を得ることで、図３（Ｃ）に示す電圧から図３（Ａ）に示す電圧（直流成分）を除去して、図３（Ｂ）に示す電圧（交流成分）を取得することができる。後述するように、交流電流発生部５２による交流電流の印加は、電圧の交流成分に基づいて単セルにおける湿潤状態を判定するためのものであるため、印加する交流電流の振幅および周波数は、交流電圧の読み取りの精度や、単セルの抵抗値の大きさなどに応じて、適宜設定すればよい。
燃料ガス供給部３０は、燃料ガス供給源３２と燃料ガス用配管３４とを有しており、燃料電池２０内に形成される単セル内燃料ガス流路２７ａに、水素を含有する燃料ガスを供給する。本実施例では、燃料ガスとして水素ガスを用いており、燃料ガス供給源３２としては、水素ボンベを用いることとした。あるいは、水素吸蔵合金を備え、この水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を貯蔵する水素タンクを用いることとしても良い。また、燃料ガスとして改質ガスを用いることとして、燃料ガス供給源３２は、炭化水素などの燃料から水素リッチな改質ガスを生成する装置としてもよい。なお、燃料ガス用配管３４には、さらに、燃料ガス供給源３２から供給される燃料ガスの圧力を調節する圧力調整弁３３や、圧力センサ３５が設けられている。
酸化ガス供給部４０は、ブロワ４２と酸化ガス用配管４４とを有しており、燃料電池２０内に形成される単セル内酸化ガス流路２８ａに、酸化ガスとして空気を供給する。
制御部５４は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ５５と、ＣＰＵ５５で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ５６と、同じくＣＰＵ５５で各種演算処理をするために必要な各種データが一時的に格納されるＲＡＭ５７と、各種の信号を入出力する入出力ポート５８等を備える。この制御部５４は、既述したセル電圧センサ７０による検出信号や、Ａ／Ｄ変換器７２を介した信号を取得する。また、制御部５４は、燃料電池２０における湿潤状態を判定するための機能を果たす各機能部（例えば、交流電流発生部５２）や、燃料電池２０の発電に関わる機能を果たす各機能部（例えば、ブロワ４２や圧力調整弁３３）などに駆動信号を出力する。
Ｂ．フラッディング判定の動作：
図４は、燃料電池２０の内部における湿潤状態、より具体的には、燃料電池２０内部がフラッディングを起こす状態であるか否かを判定するために実行されるフラッディング判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池２０の発電中に、発電のための通常の処理（例えば、燃料ガスや酸化ガスの供給条件の制御や、燃料電池２０の温度制御）と並行して、制御部５４のＣＰＵ５５において所定の時間間隔で実行される。
本ルーチンが実行されると、ＣＰＵ５５は、電圧検出部５０から、電圧検出部５０が取り付けられた単セルにおける電圧の交流成分を取得する（ステップＳ１００）。すなわち、制御部５４は、フィルタ部７１およびＡ／Ｄ変換器７２と共に、経時的に交流成分の電圧値を取得する交流電圧取得部として機能する。具体的には、フィルタ部７１およびＡ／Ｄ変換器７２によって、燃料電池２０を構成する特定の単セルにおける出力電圧から交流電流に起因する交流成分を分離して、制御部５４によって、分離した交流成分の電圧値を取得する。ここで、交流成分の電圧値（交流電圧の振幅）の検出は、制御部５４において、Ａ／Ｄ変換器７２から継続的に送られる信号に基づいて常に行なわれている。制御部５４では、継続的に検出している電圧値を所定のメモリに記憶すると共に、新たな検出値を得るごとに、メモリに記憶する電圧値の書き換えを行なって、常に最新の検出値を保持している。ステップＳ１００では、ＣＰＵ５５は、所定の時間間隔で、上記メモリに記憶される最新の電圧値を取得して、以下の処理で用いるための電圧値としている。上記所定の時間間隔は、後述するフラッディングに起因する電圧変動を捉えることができるように充分に短いタイミングとする必要があるが、取得した電圧値に対して施す後述する統計処理の条件に応じて任意に設定することができる。
その後、ＣＰＵ５５は、取得した電圧値を、交流電流発生部５２によって印加された電流値で割ることによって、交流成分の電圧値を取得したタイミングに対応して、単セルにおける抵抗値を算出する（ステップＳ１１０）。このように、本実施例では、高周波の交流波を用いているが、電圧値としては交流電圧の振幅だけを扱い、この振幅と電流値との関係から抵抗値を算出している。
抵抗値を算出すると、次にＣＰＵ５５は、経時的に算出している上記抵抗値に対して、平均化処理を施す（ステップＳ１２０）。この平均化処理としては、例えば、取得した最新の電圧値から過去に遡って得られる所定数（例えばｉ個）の電圧値に基づいて算出される各々の抵抗値を平均した値とすることができる。すなわち、この場合には、本ルーチンを起動して繰り返し実行する際に、起動後ｎ回目の実行時のステップＳ１２０では、（ｎ−ｉ＋１）回目の実行時から上記ｎ回目の実行時までに算出された各々の抵抗値の平均値を求めることとなる。このようにして、ステップＳ１２０では、ステップＳ１１０において新たに抵抗値を算出するごとに、平均値を算出する対象とする抵抗値を１つずつずらして、抵抗値の平均値の算出を行なう。以下、本ルーチンを起動後ｎ回目の実行時にステップＳ１２０で算出された抵抗値の平均値（以下、平均抵抗値という）を、Ｒ（ｎ）と表わす。ステップＳ１２０で行なう平均化処理は、抵抗値を算出する基となる電圧値の検出値におけるノイズを除去して、現在の抵抗値の全体的な傾向を捉えるために行なうものである。したがって、平均化処理のために用いる抵抗値のサンプル数（上記説明ではｉ個とした）は、上記目的に叶う範囲で適宜設定することができる。
その後、ＣＰＵ５５は、ステップＳ１２０で算出した平均抵抗値の最新値Ｒ（ｎ）と、基準値Ａとを比較する（ステップＳ１３０）。このステップＳ１３０において判断に用いる基準値Ａは、平均抵抗値がこの値以上となった場合には、単セルが湿潤傾向にあるという判断をするための値として、予め設定して制御部５４内に記憶させた値である。すなわち、ステップＳ１３０は、電圧を測定した単セルが湿潤傾向（フラッディングを起こし易い状態）にあるか否かを判定するものであり、このとき制御部５４は、燃料電池２０が湿潤傾向にあるか否かを判定する湿潤状態判定部として機能する。
ここで、単セルにおける抵抗としては、単セルを構成する各部材（電解質膜２２、アノード電極２３、カソード電極２４、ガス拡散層２５，２６、セパレータ２７，２８）間の接触抵抗と、上記各部材における内部抵抗、特に、電解質膜２２における膜抵抗と、セパレータ２７，２８における抵抗とが挙げられる。その中で、燃料電池の運転状態（例えばガス流量、加湿量、ガス圧力、温度）によって有意に変動する抵抗は膜抵抗であるため、発電中の抵抗値の大きさに基づいて、電解質膜２２の湿潤状態、さらには単セル内の湿潤状態を知ることができる。一般に、電解質膜２２が充分な湿潤状態にある場合には、膜抵抗および単セル全体の抵抗値はより小さくなる。これに対して、電解質膜２２における水分が不足気味である場合には、膜抵抗および単セル全体の抵抗値はより大きくなる。したがって、ステップＳ１３０では、平均化処理を施してノイズを除去した平均抵抗値Ｒ（ｎ）と基準値とを比較することで、現在の抵抗値の全体的な傾向に基づいて、単セルが湿潤傾向にあるか否かを判断することができる。
ステップＳ１３０において、平均抵抗値Ｒ（ｎ）が基準値Ａ未満の場合には、単セルが湿潤傾向にあると判断されるため、次にＣＰＵ５５は、平均抵抗値の標準偏差を求める（ステップＳ１４０）。この標準偏差の値は、算出した最新の平均抵抗値Ｒ（ｎ）から経時的に遡って得られる所定数（例えばｊ個）の平均抵抗値に基づいて算出される標準偏差である。すなわち、Ｒ（ｎ−ｊ＋１）からＲ（ｎ）までの値の標準偏差が算出される。このようにして、ステップＳ１４０では、ステップＳ１４０を実行するごとに、標準偏差を算出する対象とする平均抵抗値の範囲を１つずつ最新の値を含むようにずらして、平均抵抗値の標準偏差の算出を行なう。以下、本ルーチンを起動後ｎ回目の実行時にステップＳ１４０で算出された平均抵抗値の標準偏差を、σＲ（ｎ）と表わす。ステップＳ１４０で算出する平均抵抗値の標準偏差は、現時点における平均抵抗値のばらつきの程度を表わすものであれば良く、標準偏差を算出するために用いる平均抵抗値のサンプル数（上記説明ではｊ個とした）は、適宜設定することができる。
次に、ＣＰＵ５５は、ステップＳ１４０で算出した標準偏差σＲ（ｎ）と、基準値Ｂとを比較する（ステップＳ１５０）。このステップＳ１５０において判断に用いる基準値Ｂは、平均抵抗値の標準偏差がこの値以上となった場合には、単セルにおける発電状態が不安定となっていると判断するために、予め設定して制御部５４内に記憶させた値である。この基準値Ｂは、上記平均抵抗値のサンプル数ｊや、平均化処理のために用いる抵抗値のサンプル数ｉや、ステップＳ１００で電圧値を取得した時間間隔に応じて、適宜設定すればよい。
ステップＳ１５０において、標準偏差σＲ（ｎ）が基準値Ｂよりも小さいときには、ＣＰＵ５５は、フラッディング回避処理実行フラグを「０」に設定して、本ルーチンを終了する（ステップＳ１６０）。また、ステップＳ１５０において、標準偏差σＲ（ｎ）が基準値Ｂ以上であるときには、ＣＰＵ５５は、フラッディング回避処理実行フラグを「１」に設定して、本ルーチンを終了する（ステップＳ１７０）。
既述したように、燃料電池の抵抗値が充分に小さいとき（本実施例では、ステップＳ１３０において平均抵抗値Ｒ（ｎ）が基準値Ａ未満であるとき）には、電解質膜２２は、充分な湿潤状態にあると判断することができる。本実施例では、このように電解質膜２２が充分な湿潤状態にあると共に、さらに抵抗値の標準偏差が充分に小さく、燃料電池の発電状態が安定していると考えられる場合には、燃料電池はフラッディングが生じることなく良好にガスが流通する状態であると判定している。これに対して、電解質膜２２が充分な湿潤状態にあると共に、さらに抵抗値の標準偏差が大きく、燃料電池の発電状態が不安定であると考える場合には、燃料電池はフラッディングを起こす湿潤過剰状態であると判定している。すなわち、ステップＳ１３０において燃料電池２０が湿潤傾向にあると判定されたときに、制御部５４は、抵抗値の標準偏差が基準値を超える場合に、燃料電池２０が湿潤過剰であると判定する湿潤過剰判定部として機能する。
燃料電池システム１０では、既述したように、制御部５４によって、燃料電池システム１０を構成する各部の動きが制御されている。燃料電池２０が発電を行なう際には、制御部５４は、負荷６４における負荷要求を取得して、負荷要求に応じた電力を発電可能となるように、燃料電池２０に供給される燃料ガスおよび酸化ガスに関わる条件、例えば、ガス供給量やガス圧を制御する。燃料電池２０の発電中に、既述したステップＳ１７０においてフラッディング回避処理実行フラグが「１」に設定されると、制御部５４は、上記制御を行なう際に、負荷要求に基づいて定まる通常の条件に比べて、フラッディングがより起こりにくい条件になるように制御を変更する。ガスの水蒸気圧が飽和水蒸気圧に達していない場合には、ガスの総量が多いほどフラッディングは起こりにくくなる。したがって、制御部５４は、酸化ガスに関しては、負荷要求に基づいて定まる通常の条件に比べて酸化ガス流量および酸化ガス圧が大きくなるように、ブロワ４２を制御する。あるいは、燃料ガスに関しては、負荷要求に基づいて定まる通常の条件に比べて燃料ガス流量および燃料ガス圧が大きくなるように、圧力調整弁３３を制御する。
さらに、燃料ガス用配管３４および／または酸化ガス用配管４４において、ガスを加湿するための加湿器が設けられている場合に、フラッディング回避処理実行フラグが「１」に設定されたときには、加湿器による加湿量を通常の条件よりも減少させる制御を行なっても良い。また、フラッディング回避処理実行フラグが「１」に設定されているときには、燃料電池２０の内部温度を上昇させる制御を行なっても良い。具体的には、燃料電池の内部を流れる冷媒が流通する冷媒流路が、冷却ファンを併設したラジエータを経由する場合には、上記冷却ファンを停止させて、燃料電池２０の内部温度を上昇させることができる。あるいは、入力された負荷要求に比べて負荷６４がより小さくなるように、負荷６４の設定を変更（例えば、負荷６４が電動機である場合には駆動量の設定値を減少）しても良い。これにより、発電量が減少し、生じる生成水量が減少することにより、フラッディングの進行を抑えることができる。フラッディング回避処理実行フラグが「０」である場合には、このような制御を行なうことなく、負荷要求に基づいて定まる通常の条件となるように制御を行なえば良い。
なお、ステップＳ１３０において、平均抵抗値Ｒ（ｎ）が基準値Ａ以上であると判断されるときには、電解質膜２２における水分が不足気味であり、フラッディングは起き難い状態であると判断できる。したがって、この場合には、ＣＰＵ５５は、ステップＳ１６０に移行してフラッディング回避処理実行フラグを「０」に設定し、本ルーチンを終了する。
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、セル抵抗のレベルが低く（平均抵抗値が基準値未満で）、電解質膜２２が充分な湿潤状態にある場合であって、平均抵抗値のばらつきが大きいときには、燃料電池はフラッディングを起こす湿潤過剰状態であると判断している。このような構成とすることで、より早くフラッディングに関する判断を行なって、フラッディングの進行を抑える適切な処置をとることが可能となる。
図５は、実施例の燃料電池システム１０において、燃料電池２０に対するガス供給の条件を変化させることによって、燃料電池の内部の状態をフラッディングが起こりやすい状態へと次第に変化させて、電圧値を測定すると共に抵抗値を算出した結果を表わす説明図である。ここでは、燃料電池２０に対して、一定の大きさの負荷６４を接続すると共に、アノード側に対しては、負荷６４の大きさに対して充分となる一定量の燃料ガスを供給している。また、カソードに供給する酸化ガスの流量は、所定の時間ごとに徐々に減少させている。ここで、用いた酸化ガスにおける水蒸気圧は、飽和蒸気圧よりも低い値である。
図５（Ａ）および図５（Ｂ）におけるグラフ１は、燃料電池２０が備える特定の単セルにおける出力電圧の値（電圧センサ７０によって検出した出力電圧の値）の経時的な変化を示している。ここで、電圧センサ７０によって検出される電圧は、燃料電池２０が発電することで生じる直流の出力電圧と、交流電流発生部５２により印加される交流電流に起因して発生する交流電圧との和である。しかしながら、印加した上流電流は、負荷に対する出力に比べて極めて微弱であるため、グラフ１は、ほぼ、負荷６４に対する出力電圧を示すと考えることができる。なお、図５（Ａ）および図５（Ｂ）におけるグラフ１は、１秒ごとに検出した出力電圧の値を示している。
図５（Ａ）におけるグラフ２は、図４のステップＳ１００で取得した交流成分の電圧値に基づいて、ステップＳ１１０で算出したセル抵抗の値を表わす。ここでは、ステップＳ１００において１秒ごとに交流成分の電圧値を取得しており、グラフ２は、上記１秒ごとに取得した電圧値から算出した１秒ごとの抵抗値を表わしている。また、図５（Ｂ）のグラフ３は、ステップＳ１２０において算出された平均抵抗値Ｒ（ｎ）の値を表わす。ここでは、平均抵抗値Ｒ（ｎ）を算出するための抵抗値のサンプル数ｉを、１６個とした。また、図５（Ａ）および図５（Ｂ）では、燃料電池２０に供給する酸化ガスの流量を経時的に減少させた様子を、グラフ４として示している。
飽和水蒸気圧に達していない酸化ガスの流量を次第に減少させると、酸化ガス中に気化して持ち去られる生成水量が減少するため、電解質膜２２における水分量は次第に増加する。このように、電解質膜２２における水分量が多くなるにつれて、図５（Ｂ）のグラフ３に示すように平均抵抗値Ｒの値は次第に小さくなる。そして、電解質膜２２における水分量がさらに増加するにつれて、電解質膜２２が次第に水分過剰の状態になると共に、燃料電池２０内部ではフラッディングが起こり易い状態になって、平均抵抗値Ｒの値は、より大きなばらつきを示すようになる。ここで、ステップＳ１４０で標準偏差を算出する際に用いる平均抵抗値のサンプル数ｊや、ステップＳ１５０で用いる基準値Ｂの値を適宜設定することによって、フラッディングを起こす湿潤過剰状態であるか否かを判定することができる。ここでは、標準偏差を算出する際に用いる平均抵抗値のサンプル数ｊを６０個としており、図５（Ｂ）にＦ１と示した範囲において、フラッディングを起こす湿潤過剰状態になったと判断することができる。
上記のように電解質膜２２が水分過剰な状態になるときには、単セルの出力電圧の値も次第に大きなばらつきを示すようになり、その後フラッディングがある程度進行すると、電圧値は大きく低下する（グラフ１参照）。したがって、このような出力電圧の示すばらつきの大きさに基づいてフラッディングを判定することも可能である。しかしながら、出力電圧値のばらつきの大きさが有意に大きくなるのは、既述した平均抵抗値Ｒのばらつきの大きさが有意に大きくなる時点よりも遅い。図５（Ｂ）に示すように、平均抵抗値Ｒのばらつきの大きさに基づく場合には、Ｆ１と示した範囲に対応する時点で湿潤過剰状態であると判定可能であるのに対し、出力電圧のばらつきの大きさに基づく場合には、Ｆ２と示した範囲に対応する時点で、初めて湿潤過剰状態であると判定可能になる。
このように、印加した高周波の交流電流に起因する交流成分について、平均抵抗値のばらつきに基づいて燃料電池内部の湿潤状態を判定することにより、負荷に対する出力電圧値に基づいて同様の判定をする場合に比べて、より早く、湿潤過剰状態になったと判断することができる。これは、燃料電池内部おいて水分が過剰気味になってくると、出力電圧が低下するほどに、あるいは出力電圧のばらつきが検出されるほどにフラッディングが進行する前であっても、電解質膜２２上の限られた微細な領域で、電圧の変動が生じるためと考えられる。電解質膜２２上の限られた微細な領域における電圧の変動とは、電解質膜２２上の限られた微細な領域に生じた液水に起因して、部分的にガス流れの状態が悪化して発電が阻害されることによるものをいう。このように、生じた液水に起因して部分的に発電が阻害されると、発電阻害部位を迂回する電流の動きが触媒を備える電極面内で生じることによりＩＲ損失が発生すると共に、阻害されていない領域における電流集中による発電効率の悪化が起こり、電圧値が変動するものと考えられる。このような面内での局所的な電流の動きに起因する電圧の変動は、負荷に対する出力電圧全体から分離することは困難であるが、本実施例では、燃料電池２０に微弱な高周波の交流電流を印加して、電圧の交流成分だけを取り出すことにより、上記した限られた微細な領域における電圧変動の分離を可能にしている。これにより、燃料電池全体の発電量の変動に影響されることなく、実際にフラッディングが進行して燃料電池の負荷に対する出力電圧が変動・低下するより早く、湿潤過剰状態になったと判断することができる。
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
Ｃ１．変形例１：
実施例では、セル抵抗値を算出（ステップＳ１１０）した後に、セル抵抗値に基づく単セルの湿潤傾向に関する判断（ステップＳ２３０）や、フラッディングの可能性に関する判断（ステップＳ１５０）に先だって、セル抵抗値について平均化処理（ステップＳ１２０）を行なっている。この平均化処理は、電圧値の実測値から算出したセル抵抗値におけるノイズを除去することができれば良く、実施例に示した単純平均を求める以外の処理を行なっても良い。単純平均に代えて、例えば、最新のセル抵抗値に重み付けを与える加重平均を求めても良い。
Ｃ２．変形例２：
実施例では、ステップＳ１３０において、単セルがフラッディングを起こし易い湿潤傾向にあるか否かを判定するために、平均抵抗値Ｒと基準値Ａとを比較しているが、他の方法により上記判定を行なっても良い。電解質膜２２が充分な湿潤状態になっていて、単セルにおける抵抗値のレベルが低いことを判定できればよい。図６は、変形例としてのフラッディング判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。ここでは、図４と共通する工程については、同じ工程番号を付して説明を省略する。図６では、ステップＳ１３０に代えて、ステップＳ２２５およびＳ２３０が行なわれる。ステップＳ２２５では、ＣＰＵ５５は、平均抵抗値Ｒの区間平均MeanＲ（ｎ）を算出する。区間平均MeanＲ（ｎ）とは、算出した最新の平均抵抗値Ｒ（ｎ）から経時的に遡って得られる所定数（例えばｊ個）の平均抵抗値に基づいて算出される平均抵抗値Ｒの平均値である。すなわち、MeanＲ（ｎ）は、以下の（１）式で表わすことができる。
MeanＲ（ｎ）＝（Ｒ（ｎ）＋Ｒ（ｎ−１）＋…＋Ｒ（ｎ−ｊ＋１））／ｊ …（１）
このようにして、ステップＳ２２５では、ステップＳ２２５を実行するごとに、平均値を算出する対象とする平均抵抗値の範囲を１つずつ最新の値を含むようにずらして、平均抵抗値の区間平均MeanＲ（ｎ）の算出を行なう。ステップＳ２２５で算出する区間平均MeanＲ（ｎ）は、現時点における平均抵抗値のレベルを表わしていれば良く、平均値を算出するために用いる平均抵抗値のサンプル数ｊは、適宜設定することができる。その後、ＣＰＵ５５は、ステップＳ１３０と同様に、上記区間平均MeanＲ（ｎ）と基準値Ａとを比較して、単セルが湿潤傾向にあるか否かを判定する（ステップＳ２３０）。このように、平均化処理を行なったセル抵抗値についての区間平均MeanＲ（ｎ）を用いることによっても、抵抗値のレベルに基づく同様の判定を行なうことができる。
また、他の変形例としてのフラッディング判定処理ルーチンを表わすフローチャートを、図７に示す。ここでは、図４と共通する工程については、同じ工程番号を付して説明を省略する。図７では、ステップＳ１３０に代えて、ステップＳ３２５およびＳ３３０が行なわれる。ステップＳ３２５では、ＣＰＵ５５は、平均抵抗値Ｒの区間最頻値ModeＲ（ｎ）を導き出す。区間最頻値ModeＲ（ｎ）とは、算出した最新の平均抵抗値Ｒ（ｎ）から経時的に遡って得られる所定数の平均抵抗値について、値の度数分布を調べ、最も頻度の高い数値として得られる値である。
図８は、平均抵抗値Ｒ（ｎ）から経時的に遡って得られる所定数の平均抵抗値について、値の度数分布を調べた結果を示す説明図である。平均抵抗値の取りうる数値範囲を複数の範囲に分割し、上記所定数の平均抵抗値について、分割した各々の数値範囲に属する平均抵抗値の数（度数）を調べ、度数の最も高い数値範囲の中央値を、区間最頻値ModeＲ（ｎ）としている。
このようにして、ステップＳ３２５では、ステップＳ３２５を実行するごとに、最頻値を求める対象とする平均抵抗値の範囲を１つずつ最新の値を含むようにずらして、平均抵抗値の区間最頻値ModeＲ（ｎ）を得ている。ステップＳ３２５で求める区間最頻値ModeＲ（ｎ）は、現時点における平均抵抗値のレベルを表わしていれば良く、最頻値を算出するために用いる平均抵抗値のサンプル数は、適宜設定することができる。その後、ＣＰＵ５５は、ステップＳ１３０と同様に、上記区間最頻値ModeＲ（ｎ）と基準値Ａとを比較して、単セルが湿潤傾向にあるか否かを判定する（ステップＳ３３０）。このように、平均化処理を行なったセル抵抗値についての区間最頻値ModeＲ（ｎ）を用いることによっても、抵抗値のレベルに基づく同様の判定を行なうことができる。
なお、単セルがフラッディングを起こし易い湿潤傾向にあるか否かを判定するための、ステップＳ１３０に対応する判断は、セル抵抗値に対して平均化処理を施した値を利用することなく、他の方法により判定しても良い。例えば、燃料電池２０に温度センサを設け、燃料電池２０の内部温度が基準温度よりも低いときには、燃料電池が湿潤傾向にあると判定しても良い。あるいは、燃料電池２０に供給される燃料ガスおよび／または酸化ガスの流量が所定量以下である場合に、燃料電池２０が湿潤傾向にあると判定しても良い。また、燃料電池システム１０を起動してからの経過時間が基準時間以下の場合に、燃料電池２０が充分に昇温していないものとして、燃料電池２０が湿潤傾向にあると判定しても良い。
Ｃ３．変形例３：
実施例では、ステップＳ１５０において、平均抵抗値Ｒ（ｎ）の標準偏差に基づいて、燃料電池がフラッディングを起こす湿潤過剰状態であるか否かを判定しているが、異なる構成としても良い。すなわち、平均化処理を施した抵抗値についてのばらつきを示す統計値であれば、標準偏差以外の値を用いても良い。例えば、標準偏差に代えて分散を用いても良い。
Ｃ４．変形例４：
実施例では、電解質膜２２の湿潤状態が単セルの抵抗値に影響するという事実に基づいて、単セルが湿潤傾向にあるか否かの判定や、湿潤過剰状態であるか否かの判定を行なうために、検出した交流成分の電圧値から算出した抵抗値を利用している。ここで、検出した交流成分の電圧値から抵抗値を算出する際に用いる電圧値の値は一定であるため、抵抗値を算出することなく、検出した電圧値に基づいて、上記判断を行なっても良い。例えば、図４に示すフラッディング判定処理ルーチンでは、ステップＳ１１０を行なうことなく、ステップＳ１２０では、取得した電圧値について同様の平均化処理を行なえば良い。そして、ステップＳ１３０において、平均化処理を施した電圧値を基準値と比較して、上記電圧値が基準値よりも小さいときには、湿潤傾向にあると判定することができる。また、ステップＳ１４０において、平均化処理を施した電圧値について標準偏差を算出し、ステップＳ１５０において上記標準偏差と基準値とを比較して、標準偏差が基準値以上であれば、湿潤過剰状態であると判定することができる。このように、抵抗値を算出することなく検出した電圧値に基づいて判断することで、判断のための処理を軽くすることができる。
Ｃ５．変形例５：
実施例では、電圧検出部５０を単一の特定単セルに対して設けたが、スタック構造から選択した複数の単セルのそれぞれについて、電圧検出部５０を設けても良い。燃料電池２０に一定の交流電流を印加して、単セルごとに電圧の交流成分を取得することで、電圧検出部５０を設けたそれぞれの単セルにおいて、湿潤過剰状態であるか否かの判断を行なうことができる。この場合には、例えば、選択した単セルのそれぞれについて、既述したフラッディング判定処理ルーチンを実行し、いずれかの単セルにおいて湿潤過剰状態になったと判断されたときには、フラッディング回避のための処理を実行することとすればよい。
実施例の燃料電池システムの概略構成を表わすブロック図である。 単セルを表わす断面模式図である。 燃料電池における電圧の様子を表わす説明図である、 フラッディング判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。 燃料電池内部をフラッディングが起こりやすい状態へと次第に変化させて、電圧値を測定すると共に抵抗値を算出した結果を表わす説明図である。 変形例のフラッディング判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。 変形例のフラッディング判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。 所定数の平均抵抗値について、値の度数分布を調べた結果を示す説明図である。
符号の説明
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１…単セル
２２…電解質膜
２３…アノード電極
２４…カソード電極
２５，２６…ガス拡散層
２７，２８…セパレータ
２７ａ…単セル内燃料ガス流路
２８ａ…単セル内酸化ガス流路
３０…燃料ガス供給部
３２…燃料ガス供給源
３３…圧力調整弁
３４…燃料ガス用配管
３５…圧力センサ
４０…酸化ガス供給部
４２…ブロワ
４４…酸化ガス用配管
５０…電圧検出部
５２…交流電流発生部
５４…制御部
５５…ＣＰＵ
５６…ＲＯＭ
５７…ＲＡＭ
５８…入出力ポート
６０，６１…集電板
６２，６３…配線
６４…負荷
６５，６６…配線
７０…電圧センサ
７１…フィルタ部
７２…Ａ／Ｄ変換器
７３，７４…配線

Claims (5)

  1. 固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池に対して一定の周波数及び振幅にて交流電流を印加する交流電流発生部と、
    前記燃料電池を構成する所定の単セルにおける出力電圧から前記交流電流に起因する交流成分を分離して、経時的に前記交流成分の電圧値を取得する交流電圧取得部と、
    前記燃料電池が湿潤傾向にあるか否かを判定する湿潤状態判定部と、
    前記湿潤状態判定部において、前記燃料電池が前記湿潤傾向にあると判定されたときに、経時的に取得された前記交流成分の電圧値のばらつきの大きさを示す統計値を求め、該ばらつきの大きさを示す統計値が基準値を超える場合に、前記燃料電池が湿潤過剰であると判定する湿潤過剰判定部と
    を備える燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
    前記湿潤過剰判定部は、経時的に取得された前記交流成分の電圧値と前記交流電流の電流値とから、前記単セルにおける抵抗値を経時的に導出すると共に、前記電圧値のばらつきの大きさを示す統計値として、前記抵抗値のばらつきの大きさを示す統計値を求める
    燃料電池システム。
  3. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
    前記湿潤状態判定部は、経時的に取得された前記交流成分の電圧に係る値について平均化処理を行なって平均化値を生成すると共に、該平均化値が基準値よりも小さいときに、前記燃料電池が湿潤傾向にあると判定する
    燃料電池システム。
  4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
    前記湿潤状態判定部は、経時的に取得された前記交流成分の電圧値と前記交流電流の電流値とから、前記単セルにおける抵抗値を経時的に導出すると共に、前記電圧に係る値についての平均化処理として、前記抵抗値についての平均化処理を行ない、前記平均化値を生成する
    燃料電池システム。
  5. 固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムにおける湿潤過剰判定方法であって、
    （ａ）前記燃料電池に対して一定の周波数および振幅にて交流電流を印加する工程と、
    （ｂ）前記燃料電池を構成する所定の単セルにおける出力電圧から前記交流電流に起因する交流成分を分離して、経時的に前記交流成分の電圧値を取得する工程と、
    （ｃ）前記燃料電池が湿潤傾向にあるか否かを判定する工程と、
    （ｄ）前記燃料電池が前記湿潤傾向にあると判定されたときに、経時的に取得された前記交流成分の電圧値のばらつきの大きさを示す統計値を求め、該ばらつきの大きさを示す統計値が基準値を超える場合に、前記燃料電池が湿潤過剰であると判定する工程と
    を備える湿潤過剰判定方法。
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