JP2007207442A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも燃料電池の出力特性の推定精度を向上させる。
【解決手段】燃料電池の内部抵抗と燃料電池の運転状態を示す少なくとも１つの動作パラメータとの関係を記憶する手段２０と、燃料電池の動作パラメータの値を検出する手段６、１２と、検出された動作パラメータの値から燃料電池の内部抵抗を基本内部抵抗として設定する手段２０と、空気の流量および圧力と内部抵抗除外出力特性との関係を記憶する手段２０と、空気の流量を測定する手段３と、空気の圧力を測定する手段４と、空気の流量と圧力とから燃料電池の内部抵抗除外出力特性を決定する手段２０と、基本内部抵抗と内部抵抗除外出力特性とから燃料電池の基本出力特性を設定する手段２０と、燃料電池の出力電流を測定する手段８と、燃料電池の出力電圧を測定する手段９と、出力電流と出力電圧とによって基本出力特性を補正する演算手段２０とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池の発電効率を向上させるため、燃料電池の電流・電圧特性（以下、出力特性という）を考慮して燃料電池出力を決定する制御がなされている。ただし、電流電圧特性は、固定的なものではなく、燃料電池の状態あるいは経時変化等により変動する。そのため、例えば、燃料電池の温度、水素圧力等から燃料電池の出力特性を推定し、その推定された出力特性を用いて燃料電池の出力を制御し、効率的に燃料電池を運転する技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
特開２００２−２３１２９５号公報 特開２００３−２９７４０８号公報 特開２００３−８６２１１号公報 特開２００４−３４９１１４号公報 特開２００４−２２０７９４号公報

しかし、上記従来の技術では、例えば、燃料電池の出力特性を水素供給圧力と燃料電池の温度から導出しているものの、燃料電池の出力特性に対して影響の大きい他の動作パラメータは考慮されていない。このため、必ずしも、推定精度が高くならない場合があった。

本発明の目的は、従来よりも燃料電池の出力特性の推定精度を向上させる技術を提供することである。

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、燃料電池の反応ガスの流量に依存して生じる燃料電池の拡散抵抗および前記反応ガスの圧力に依存して生じる燃料電池の反応抵抗の双方を除外した、そのような燃料電池の内部抵抗と前記燃料電池の運転状態を示す少なくとも１つの動作パラメータとの関係を記憶する内部抵抗記憶手段と、前記燃料電池の動作パラメータのいずれかの現在の値を検出する検出手段と、前記検出された動作パラメータの値から前記燃料電池の内部抵抗を推定し、その推定値を基本内部抵抗として設定する内部抵抗推定手段と、前記燃料電池に供給される空気の流量および圧力を変更したときの、前記内部抵抗の影響を除外した燃料電池の出力電流および出力電圧の関係である内部抵抗除外出力特性を前記流量および圧力とともに記憶する出力特性記憶手段と、前記燃料電池に供給される空気の流量を測定する手段と、前記空気の圧力を測定する手段と、前記空気の流量と圧力とから前記燃料電池の内部抵抗除外出力特性を決定する手段と、前記基本内部抵抗と前記内部抵抗除外出力特性とから前記燃料電池の基本出力特性を設定する手段と、燃料電池の出力電流を測定する手段と、前記出力電流が出力されている燃料電池の出力電圧を測定する手段と、前記出力電流と出力電圧とによって前記基本出力特性を補正する演算手段と、を備える燃料電池システムである。

この燃料電池システムによれば、前記燃料電池に供給される空気の流量および圧力を変更したときの、前記内部抵抗の影響を除外した燃料電池の出力電流および出力電圧の関係である内部抵抗除外出力特性を前記流量および圧力とともに記憶し、前記燃料電池に供給される空気の流量と圧力を測定し、前記空気の流量と圧力とから前記燃料電池の内部抵抗
除外出力特性を決定するので、正確に燃料電池の基本出力特性を推定でき、その結果、正確に基本出力特性を補正できる。

前記動作パラメータは、前記燃料電池の温度、前記燃料電池内の湿度、または前記燃料電池の出力端子において所定の周波数の交流信号により測定される交流インピーダンスを含むようにしてもよい。本発明によれば、燃料電池の温度、前記燃料電池内の湿度、または、燃料電池の出力端子間のインピーダンスによって基本内部抵抗を推定できる。

前記演算手段は、前記出力電流と出力電圧とにより前記燃料電池の基本内部抵抗を補正する手段と、前記補正された基本内部抵抗によって前記基本出力特性を補正する手段とを有するようにしてもよい。本発明によれば、出力電流と出力電圧とにより前記燃料電池の基本内部抵抗を補正し、基本出力特性を補正するので、基本出力特性の精度を向上できる。

前記演算手段は、前記補正された基本内部抵抗を新たな基本内部抵抗として記憶する補正値記憶手段と、前記基本内部抵抗が前記記憶手段に記憶されているときに、前記出力電流と出力電圧とにより前記基本内部抵抗をさらに補正する手段と、前記さらに補正された基本内部抵抗により前記基本出力特性を補正する手段とをさらに有するようにしてもよい。本発明によれば、補正された基本内部抵抗を新たな基本内部抵抗として記憶し、基本内部抵抗が前記記憶手段に記憶されているときに、前記出力電流と出力電圧とにより前記基本内部抵抗をさらに補正するので、繰り返して実行される処理において、基本出力特性の精度を向上できる。

前記検出手段は、燃料電池の出力端子において所定の周波数の交流信号により測定される交流インピーダンスを測定する測定手段と、測定した前記交流インピーダンスを記憶する手段と、を有し
前記演算手段は、前記測定手段によって測定された交流インピーダンスと前記記憶手段に記憶されていた過去に測定済みの交流インピーダンスとを比較する比較手段と、比較手段による比較の結果、前記測定された交流インピーダンスと前記過去に測定済みの交流インピーダンスとの間で所定以上の差異がある場合に、前記基本内部抵抗を補正し、前記測定された交流インピーダンスと前記過去に測定済みの交流インピーダンスとの間で所定以上の差異がない場合に前記内部抵抗除外出力特性を補正する、出力特性補正手段と、を有するようにしてもよい。

本発明によれば、測定手段によって測定された交流インピーダンスと前記記憶手段に記憶されていた過去に測定済みの交流インピーダンスとを比較し、測定された交流インピーダンスと前記過去に測定済みの交流インピーダンスとの間で所定以上の差異がある場合に、前記基本内部抵抗を補正し、その差違がない場合には、内部抵抗除外出力特性を補正するので、本来補正の必要のある対象を限定でき、補正の精度を向上できる。

本発明によれば、従来よりも燃料電池の出力特性の推定精度を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。

《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。この燃料電池システムは、いわゆる単セルを積層したセルスタックを含む燃料電池本体１と、空気供給通路Ｌ１を通じて燃料電池本体１の空気極側に空気を供給するエアコンプレッサ２と、エアコンプレッサ２から燃料電池本体１に供給される空気の流量を測定するエア流量計３（本発明の空気の流量を測定する手段に相当）と、燃料電池本体１の空気極側の排出通路Ｌ２を介して空気極側のガス圧力を測定する圧力センサ４（本発明の空気の圧力を測定する手段に相当）と、排出通路Ｌ２を含む空気極側のガス圧力を制御する調圧バルブ５と、水素供給通路Ｌ１を通じて燃料電池本体１の水素極側に水素を供給する水素タンク７と、燃料電池本体１の出力端子に接続された負荷１０に供給される電流および電圧を測定する電流センサ８（本発明の出力電流を測定する手段に相当）および電圧センサ９（本発明の出力電圧を測定する手段に相当）と、燃料電池本体１の温度（セルスタックの温度）を測定する温度センサ６（本発明の検出手段に相当）と、燃料電池システムの各部の状態を監視するとともに燃料電池システム全体を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit
）２０とを備えている。以上のような燃料電池システムを構成するそれぞれの構成要素については、広く知られているのでその説明を省略する。

図１に示した燃料電池システムでは、ＥＣＵ２０は、以下の機能を有する。
（１）ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１のセルスタックの温度から燃料電池本体１の内部抵抗を決定する。内部抵抗とは、燃料電池本体１から負荷１０に出力電流を供給したときに、燃料電池本体１内部での電圧降下を発生させる抵抗をいう。内部抵抗の要因としては、燃料電池本体１内の高分子電解質膜をプロトンが伝導するときの抵抗、あるいは、セパレータを電子が伝導するときの抵抗を例示できる。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２０は、メモリを内蔵しており、事前に実験的に測定されたセルスタックの温度と内部抵抗との関係をそのメモリ（本発明の内部抵抗記憶手段に相当）にマップとして保持している。したがって、ＥＣＵ２０は、温度センサ６の出力信号を監視することにより、セルスタックの温度を検知し、内部抵抗を決定できる。このようにして、事前に保持されたマップにしたがって、セルスタックの温度から決定される内部抵抗を基本内部抵抗Ｒ０と呼ぶ。

図２に、セルスタックの温度Ｔｆｃと、内部抵抗の関係の一例を示す。燃料電池の内部抵抗は、一般的には、セルスタックの温度Ｔｆｃの上昇とともに、単調に減少する。これは、燃料電池の内部抵抗は、活物質（高分子電解質膜型の燃料電池の場合には、プロトン）の移動速度により支配的に決定され、一般的に温度が低いときに比べて温度が高いときの方がプロトンの移動速度が大きく、内部抵抗が小さくなるからである。
（２）ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１の空気極側の圧力および空気極への空気流量から、燃料電池本体１の内部抵抗の無い出力特性を決定する。燃料電池本体１の内部抵抗の無い出力特性についても、事前に実験的に測定し、ＥＣＵ２０のメモリ（本発明の出力特性記憶手段に相当）にマップとして保持している。

このようなマップは、例えば、以下の手順によって取得できる。すなわち、予め実験により、空気極側の圧力および空気極への空気流量を変化させた状態で燃料電池の出力電流と出力電圧の関係である出力特性を測定しておく。そして、その時点でのセルスタックの温度から、例えば、図２に示したようなセルスタックの温度と内部抵抗の関係を保持するマップにより、燃料電池の内部抵抗を推定する。そして、測定した出力特性から推定された内部抵抗による電圧降下を差し引いて、内部抵抗の無い出力特性を算出する。このようにして、空気極側の圧力および空気極への空気流量を動作パラメータとして、内部抵抗の無い出力特性が算出される。

図３に、空気極側の圧力の変化に伴う電流電圧特性の変化の例を示す。周知のように、
燃料電池本体１の電流電圧特性は、横軸を出力電流Ｉｆｃ、縦軸を出力電圧Ｖｆｃとした場合に、右下がりの曲線となる。ただし、図３の例では、燃料電池本体１の内部抵抗は除外されているので、中央付近は、概ねＩｆｃの変化に依存せず、一定値に近い値となっている。

そして、出力電流Ｉｆｃが所定の限界を超えると出力電圧Ｖｆｃが急速に低下する。これは、出力電流Ｉｆｃを発生させるだけの充分な反応ガスが供給されないため、電極をガスが拡散するときに生じるガス拡散抵抗が抵抗値として顕著に現れるようになるためである。逆に、出力電流Ｉｆｃを発生させるだけの充分な反応ガス量（例えば、空気極側の空気流量）がある場合には、反応ガスの拡散抵抗の影響が少なくなり、出力電圧の低下は少なくなる。

さらに、図３に示したように、同一の空気流量を供給する場合であっても、空気極側の圧力が高い方が同一の出力電流Ｉｆｃに対する出力電圧Ｖｆｃが高いことが知られている。すなわち、燃料電池に供給されるガスの圧力は、電極反応の活性に大きく影響し、ガス圧力が高いほど、燃料電池本体１の不図示の触媒による反応が、効率的になる。一方、ガス圧力が低い場合には、触媒による反応の効率が低下し、出力電圧Ｖｆｃが小さくなる。したがって、図３に例示されるように、空気極側の圧力に応じて、燃料電池本体１の電流電圧特性は、中央部分が上下の異なる電圧値に分離した曲線となる。

図４に、燃料電池本体１の空気極側のガス圧力を一定に維持する一方、空気極に供給される空気流量を変化させた場合の電流電圧特性の例を示す。図４のように、空気流量が多い場合には、出力電流Ｉｆｃがその空気供給量に相当する電流値に達するまでは、出力電圧Ｖｆｃが低下しない。一方、空気流量が少ない場合には、出力電流Ｉｆｃがその空気供給量に相当する少ない電流値で、出力電圧Ｖｆｃが急速に低下する。これは、燃料電池に供給されるガス流量により限界電流値およびガス拡散抵抗が異なる値となるためである。

すなわち、供給される空気流量が少ないときには、限界電流値が小さく、また、小さい電流値の領域でガス拡散抵抗（濃度分極と呼ぶ）の影響が現れ、内部抵抗を除外した電圧Ｖｉｒｆ（Ｉｆｃ）が低下する。これは、出力電流Ｉｆｃの値に相当する空気流量がないため、ガス拡散抵抗が顕著になるためである。したがって、燃料電池本体１の電流電圧特性は、図４に示すように、複数の出力電流Ｉｆｃの値によって分岐する曲線となる。
（３）ＥＣＵ２０は、上記（１）（２）で求めた基本内部抵抗Ｒ０と、内部抵抗の無い出力特性の関係から、現在の燃料電池本体１の内部抵抗を含む電流電圧特性を推定する。この電流電圧特性を本実施形態では、基本出力特性と呼ぶ。

そして、ＥＣＵ５は、実際に電流センサ８および電圧センサ９で測定される出力電流および出力電圧と、基本出力特性の差違から、基本内部抵抗Ｒ０の値を補正する補正量ΔＲを算出し、補正された内部抵抗Ｒ１＝Ｒ０＋ΔＲを求める。そして、補正された内部抵抗Ｒ１を用いて新たに電流電圧特性を設定する。このようにして設定された電流電圧特性は、燃料電池本体１に対する電力要求量に対して、実際に供給される反応ガス量の設定等に参照される。ＥＣＵ５は、以上の（１）から（３）の処理を所定のタイミングで繰り返して実行する。

図５に、ＥＣＵ２０が実行する燃料電池システム制御処理のフローチャートを示す。図５では、燃料電池システム制御処理とともに、特に、出力特性推定処理の部分を詳細化している。この処理では、ＥＣＵ２０は、まず、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃを温度センサ６から読み取る（Ｓ１００）。また、ＥＣＵ２０は、空気流量Ｆａｉｒをエア流量計３から読み取る。さらに、ＥＣＵ２０は、空気圧力Ｐａｉｒを圧力センサ４から読み取る。

次に、ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃにより、基本内部抵抗Ｒ０を算出する（Ｓ１０１、この処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明の内部抵抗推定手段に相当）。次に、ＥＣＵ２０は、空気流量Ｆａｉｒと空気圧力Ｐａｉｒとによって事前測定された、内部抵抗の無い出力特性Ｖｉｒｆ（Ｉｆｃ）を算出する（Ｓ１０２、この処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明の内部抵抗除外出力特性を決定する手段に相当）。ここで、Ｖｉｒｆ（Ｉｆｃ）は、出力電流Ｉｆｃと、内部抵抗を除外した電圧Ｖｉｒｆの関係を示す関数であり、例えば、出力電流Ｉｆｃと内部抵抗を除外した電圧Ｖｉｒｆの組として表すことができる。ただし、出力電流Ｉｆｃと内部抵抗を除外した電圧Ｖｉｒｆの関係を実験式として表してもよい。

次に、ＥＣＵ２０は、基本出力特性を算出する（Ｓ１０３、この処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明の基本出力特性を設定する手段に相当）。基本出力特性は、上記内部抵抗の無い出力特性に、基本内部抵抗Ｒ０の効果を付加して、Ｖｉｒｆ（Ｉｆｃ）−Ｉｆｃ×Ｒ０として算出される。

次に、ＥＣＵ２０は、燃料電池システムに対する出力要求から、基本出力特性Ｖｉｒｆ（Ｉｆｃ）−Ｉｆｃ×Ｒ０上の運転ポイント（Ｉｆｃ，Ｖｆｃ）を決定し、燃料電池本体１の出力端子の電圧をＶｆｃに制御する（Ｓ１０４）。具体的には、例えば、ＥＣＵ２０は、不図示のＤＣＤＣコンバータを通じて出力端子の電圧をＶｆｃに制御する。ただし、その場合、燃料電池に対する反応ガス（水素あるいは空気）が、燃料電池の出力に見合った量だけ供給されず、不足する場合には、電流が低下してしまう結果となる。そのため、図５の処理としては明示されていないが、ＥＣＵ２０は、燃料電池に要求される電力から必要な反応ガス量を決定し、その反応ガス量の条件での電流電圧特性から運転ポイントを決定する。

次に、ＥＣＵ２０は、電流センサ８および電圧センサ９から、実際の燃料電池の出力電流Ｉｆｃ＿ｍおよび出力電圧Ｖｆｃ＿ｍを読み取る（Ｓ１０５）。そして、ＥＣＵ２０は、出力電流Ｉｆｃ＿ｍに対する基本出力特性上の値Ｖｆｃ０＝Ｖｉｒｆ（Ｉｆｃ＿ｍ）−Ｉｆｃ＿ｍ×Ｒ０を導出する（Ｓ１０６）。これは、例えば、内部抵抗の無い出力特性Ｖｉｒｆ（Ｉｆｃ）が実験式で与えられている場合には、そのまま実験式の値を計算し、基本内部抵抗Ｒ０による電圧降下を付加すればよい。また、内部抵抗の無い出力特性Ｖｉｒｆ（Ｉｆｃ）が電流電圧の複数の組（Ｉ，Ｖ）で与えられている場合は、Ｉ＝Ｉｆｃ＿ｍのときの出力電圧値を補間により求め、基本内部抵抗Ｒ０による電圧降下を付加すればよい。

次に、ＥＣＵ２０は、基本出力特性から得られた出力電圧Ｖｆｃ０と、電圧センサ９から得られた出力電圧Ｖｆｃ＿ｍとの差違が所定値の範囲にあるか否かを判定する（Ｓ１０７）。そして、この差違が所定の範囲になく、大きな隔たりがあると判断された場合、ＥＣＵ５は、基本出力特性を以下にしたがって補正して新たな出力特性とする。

すなわち、ＥＣＵ２０は、ΔＲ＝（Ｖｆｃ０−Ｖｆｃ＿ｍ）／Ｉｆｃ＿ｍにより、基本内部抵抗Ｒ０の補正値を算出する（Ｓ１０８）。そして、ＥＣＵ５は、Ｒ１＝Ｒ０＋ΔＲにより基本内部抵抗Ｒ０を補正して、新たな内部抵抗Ｒ１を求める（Ｓ１０９、この処理を実行するＥＣＵ２０が本発明の基本内部抵抗を補正する手段に相当）。

さらに、ＥＣＵ２０は、新たに求めた内部抵抗Ｒ１により、出力特性Ｖｆｃ（Ｉｆｃ）＝Ｖｉｒｆ（Ｉｆｃ）−Ｒ１×Ｉｆｃを算出する（Ｓ１１０、この処理を実行するＥＣＵ２０が本発明の演算手段および基本出力特性を補正する手段に相当）。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムによれば、空気流量の変化による限
界電流値およびガス拡散抵抗の変化と、空気圧力の変化による反応抵抗の変化が、基本出力特性に反映されることになる。したがって、空気流量および空気圧力の変化を織り込んだ出力特性の推定が可能となり、従来よりも精度の高い出力特性の推定が可能となる。

なお、上記実施形態では、図５の処理Ｓ１０９に示したように、検知された内部抵抗の差分値ΔＲをそのまま内部抵抗の補正値として用いた。しかし、本発明の実施は、このような手順には限定されない。すなわち、図５のような内部抵抗の補正による急激な変化を回避するために、補正後の抵抗Ｒ１を求めた後に、値の変化を緩やかにするためのフィルタ処理を実施してもよい。また、以下の式のように、補正量ΔＲを比例(Proportion)項と積分(Integral)項とに分配して、比例動作、積分動作によるＰＩ制御を実行してもよい。

Ｒ１＝Ｒ０＋Ｋｐ×ΔＲ＋Ｋｉ×∫^TΔＲｄｔ；
ここで、Ｋｐ、Ｋｉは、それぞれ比例ゲイン、積分ゲインである。

また、図５に示したフローチャートでは、Ｓ１０１の処理で、基本内部抵抗Ｒ０を求め、Ｓ１０９の処理で、この基本内部抵抗Ｒ０から燃料電池の内部抵抗Ｒ１を補正している。しかし、本発明の実施は、このような手順には限定されない。すなわち、一旦基本内部抵抗Ｒ０から内部抵抗Ｒ１を求めた場合、その内部抵抗Ｒ１をＥＣＵ２０のメモリに保存しておいてもよい。そして、次回以降の処理においては、ＥＣＵ２０は、その保存しておいた内部抵抗Ｒ１と、実際に出力電流および出力電圧から測定された内部抵抗の差分を求め、内部抵抗Ｒ１を逐次補正していくようにしてもよい。

《第２実施形態》
図６から図８の図面に基づいて本発明の第２実施形態を説明する。上記第１実施形態では、空気極側の空気圧力および空気極に供給される空気流量に基づいて基本出力特性を推定し、実際に検出された出力電流および出力電圧により、基本出力特性を補正して、燃料電池の出力特性を求めた。そして、第１実施形態では、基本出力特性に含まれる基本内部抵抗は、燃料電池本体１の温度に基づいて決定した。本実施形態では、その基本内部抵抗の決定において、燃料電池本体１の加湿量を反映する燃料電池システムについて説明する。本実施形態において他の構成および作用は、第１実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素は同一の符号を付してその説明を省略する。

図６に、本実施形態の燃料電池システムを示す。この燃料電池システムは、第１実施形態の場合と比較して、空気供給通路Ｌ１上でエアコンプレッサ２の下流側、すなわち、燃料電池本体１に近い側に加湿器１１および湿度センサ１２（本発明の検出手段に相当）が追加されている。

ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１に対する加湿量をパラメータとして、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃと内部抵抗の関係をマップとしてメモリに有している。ここで、加湿量とは、空気の加湿時に測定される湿度という意味である。したがって、ＥＣＵ２０は、湿度センサ１２の検出信号から空気の加湿量Ｓａｉｒを求め、温度センサ６の検出信号から燃料電池本体１の温度Ｔｆｃを求める。そして、加湿量Ｓａｉｒおよび温度Ｔｆｃに基づいて基本内部抵抗Ｒ０を算出する。

図７に、ＥＣＵ２０がメモリに保持する加湿量、燃料電池温度Ｔｆｃおよび内部抵抗の関係をグラフに示す。高分子電解質膜型の燃料電池の内部抵抗は、活物質（プロトン）の移動速度（伝導度）に律速される。また、高分子電解質膜のプロトンの伝導度は、高分子電解質膜の含水量と膜の温度に依存する。さらに、高分子電解質膜の含水量は、供給ガスの湿度の影響を受けて変化する。

そして、燃料電池本体１の温度が高い場合には、高分子電解質膜の温度が高く、そのときに供給される空気温度も高いので、空気の飽和蒸気圧が高い。そのため、空気に対する加湿量の変化が高分子電解質膜内の水分量に与える影響が大きい。したがって、図７のように、高温側において、空気の加湿量の相違による内部抵抗の変化が大きくなる。

一方、燃料電池本体１の温度が低い場合には、そのときに供給される空気温度も低いので、空気の飽和蒸気圧が低くなる。そのため、空気に対する加湿量の変化が高分子電解質膜内の水分量に与える影響は高温側と比較して少ない。したがって、図７のように、低温側において、空気の加湿量の相違による内部抵抗の変化は小さくなる。

また、図７に示されるように、加湿量が少ない場合には、燃料電池本体１が高温になると、高分子電解質膜が乾燥しやくなる。このため、この場合には、内部抵抗が高くなる。一方、加湿量が多い場合には、燃料電池本体１が高温になっても、高分子電解質膜が乾燥しにくい。このため、この場合には、温度上昇によってプロトンの移動速度が増加する結果、図２と同様、内部抵抗が低くなる。

図８に、ＥＣＵ２０が実行する燃料電池システム制御処理のフローチャートを示す。この処理では、ＥＣＵ２０は、まず、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃを温度センサ６から読み取る（Ｓ２００）。また、ＥＣＵ２０は、空気流量Ｆａｉｒをエア流量計３から読み取る。さらに、ＥＣＵ２０は、空気圧力Ｐａｉｒを圧力センサ４から読み取る。さらにまた、ＥＣＵ２０は、空気の加湿量Ｓａｉｒを圧力センサ４から読み取る。

次に、ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃと加湿量Ｓａｉｒにより、基本内部抵抗Ｒ０を算出する（Ｓ２０１）。以降の処理は、図５のＳ１０２以下の処理と同様である。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池温度Ｔｆｃと空気の加湿量Ｓａｉｒから、膜のプロトン伝導度に起因する基本内部抵抗Ｒ０を推定する。すなわち、基本内部抵抗Ｒ０の推定に、空気の加湿度を反映させることができる。したがって、第１実施形態のシステムよりもさらに精度の高い出力特性の推定が可能となる。

《第３実施形態》
図９から図１１の図面に基づいて本発明の第３実施形態を説明する。上記第２実施形態では、湿度センサ１２の検出信号により空気の加湿量を求め、基本内部抵抗Ｒ０を推定した。本実施形態では、湿度センサ１２の検出信号に代えて、加湿器を流れる空気流量と燃料電池温度から空気の加湿量を求め、基本内部抵抗Ｒ０を推定する燃料電池システムについて説明する。本実施形態において他の構成および作用は、第２実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素は同一の符号を付してその説明を省略する。

図９に、本実施形態の燃料電池システムを示す。この燃料電池システムは、第２実施形態の場合と比較して、湿度センサ１２を備えていない。また、この燃料電池システムは、図６の加湿器１１に代えて、水蒸気交換膜を介して加湿する水蒸気交換膜型の加湿器１３を有している。水蒸気交換膜型の加湿器は、交換膜を介して空気極側の排出通路Ｌ２を通じて排出されるオフガス中の水蒸気（生成水）を上流側の空気供給通路Ｌ１に環流させる。

図１０に、水蒸気交換膜型の加湿器１３における空気流量Ｆａｉｒおよび燃料電池本体１の温度Ｔｆｃと加湿量Ｓａｉｒとの関係の一例を示す。ここで、空気流量Ｆａｉｒは、上流側の空気供給通路Ｌ１の流量である。

図１０のように、水蒸気交換膜型の加湿器１３では、一般に、空気供給通路Ｌ１の空気流量Ｆａｉｒが増加するにつれて、加湿量Ｓａｉｒが増加する。しかし、空気流量Ｆａｉｒが増加するにつれて、加湿量Ｓａｉｒの増加量は、徐々に減少し、大流量の領域では、加湿量Ｓａｉｒは飽和する。また、燃料電池温度Ｔｆｃが高いと空気の飽和蒸気圧が高くなり、加湿量が増加する。

一方、燃料電池温度Ｔｆｃが低いと空気の飽和蒸気圧が低くなり、加湿量は高温の場合と比較して少なくなる。したがって、予め、ＥＣＵ２０のメモリに空気流量Ｆａｉｒ、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃ、および加湿量Ｓａｉｒの関係をマップとして保持しておき、空気流量Ｆａｉｒと燃料電池本体１の温度Ｔｆｃの測定結果から、加湿量Ｓａｉｒを算出すればよい。

図１１に、ＥＣＵ２０が実行する燃料電池システム制御処理のフローチャートを示す。この処理では、ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃ、空気流量Ｆａｉｒ、空気圧力Ｐａｉｒを読み取る（Ｓ１００）。この処理は、第１実施形態での図５のＳ１００の場合と同様である。

次に、ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃと空気流量Ｆａｉｒとから、
メモリに保持したマップにしたがい、空気の加湿量Ｓａｉｒを算出する（Ｓ２１０）。

次に、ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃと加湿量Ｓａｉｒにより、基本内部抵抗Ｒ０を算出する（Ｓ２０１）。以降の処理は、図５のＳ１０２以下の処理と同様である。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムでは、湿度センサ１２を設けることなく、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃと空気流量Ｆａｉｒとから、空気の加湿量Ｓａｉｒを求めることができる。したがって、長い耐久期間を要求される車両等に燃料電池を適用する場合に、湿度センサ１２が不要となることから極めて有利となる。

《第４実施形態》
図１２および図１３を参照して本発明の第４実施形態を説明する。上記第１実施形態から第３実施形態では、燃料電池本体１の温度、あるいは、空気の加湿量に基づいて、燃料電池本体１の基本内部抵抗Ｒ０を推定した。そして、出力電流および出力電圧を実測して基本内部抵抗Ｒ０を補正した。

本実施形態では、燃料電池本体１の出力端子に交流信号を入力し、出力端子間のインピーダンスから基本内部抵抗Ｒ０の補正の要否を推定する燃料電池システムを説明する。他の構成および作用は、第１実施形態の場合と同様である。そこで、第１実施形態から第３実施形態の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

燃料電池の内部抵抗を測定する方法として、燃料電池の交流インピーダンスを測定する方法が知られている（例えば、特開２００３−２９７４０８）。燃料電池の交流インピーダンスは、燃料電池の出力電流（または出力電圧）に正弦波を重畳して測定した電流・電圧を周波数解析して得られる。

図１２に、燃料電池の交流インピーダンスの例を示す。図１２のように、交流インピーダンスは、その周波数によってガス拡散抵抗、反応抵抗、およびオーム抵抗をそれぞれ反映した領域に分離されることが知られている。さらに、図１２において、概ね１ｋＨｚ以上の領域においては周波数ω＝∞とみなせ、交流インピーダンスの実部は、ほぼオーム抵
抗となることが知られている。

この場合のオーム抵抗は、概ね高分子電解質膜およびセパレータ部分の抵抗に起因しており、燃料電池の内部抵抗の主要な構成要素となる。したがって、オーム抵抗に変動があるか否かを監視すれば、内部抵抗に変動があったか否かを確認できる。

図１３に、ＥＣＵ２０が実行する燃料電池システム制御処理のフローチャートを示す。この処理では、ＥＣＵ２０は、まず、図１に示したＳ１００−Ｓ１０４と同様の処理を実行し、燃料電池の基本内部抵抗Ｒ０、および基本出力特性を決定するとともに、燃料電池本体１を所定の運転ポイントに制御する。ここで、基本内部抵抗Ｒ０とは、事前に保存されたマップから、燃料電池の動作パラメータ（例えば、燃料電池本体１の温度、空気の加湿量等）によって推定される内部抵抗をいう。

次に、ＥＣＵ２０は、電流センサ８および電圧センサ９から、実際の燃料電池の出力電流Ｉｆｃ＿ｍおよび出力電圧Ｖｆｃ＿ｍを読み取る（Ｓ１０５）。

次に、ＥＣＵ２０は、交流インピーダンスを測定し、その実部Ｚｒｅ（ω）を求める（Ｓ３０１、この処理を実行するＥＣＵ２０が本発明の検出手段、および交流インピーダンスを測定する手段に相当）。以下、本実施形態では、交流インピーダンスの実部を単に交流インピーダンスという。

次に、ＥＣＵ２０は、出力電流Ｉｆｃ＿ｍに対する基本出力特性上の値Ｖｆｃ０＝Ｖｉｒｆ（Ｉｆｃ＿ｍ）−Ｉｆｃ＿ｍ×Ｒ０を導出する（Ｓ１０６）。

次に、ＥＣＵ２０は、基本出力特性から得られた出力電圧Ｖｆｃ０と、電圧センサ９から得られた出力電圧Ｖｆｃ＿ｍとの差違が所定値の範囲にあるか否かを判定する（Ｓ１０７）。そして、この差違が所定の範囲になく、大きな隔たりがあると判断された場合、ＥＣＵ５は、基本出力特性を以下にしたがって補正して新たな出力特性とする。

すなわち、ＥＣＵ２０は、Ｓ３０１で求めた交流インピーダンスＺｒｅ（ω）と、前回測定済みの交流インピーダンスＺｒｅ（ω）＿ｏｌｄとを比較し、その差異が所定値の範囲にあるか否かを判定する（Ｓ３０２、この処理を実行するＥＣＵ２０が比較手段に相当）。そして、この差違が所定の範囲になく、大きな隔たりがあると判断された場合、ＥＣＵ５は、燃料電池の内部抵抗が基本内部抵抗Ｒ０とは異なる値に変化していると判断し、図１の場合と同様に内部抵抗および出力特性を補正する（Ｓ１０８−Ｓ１１０）。

一方、Ｓ３０２の判定で、交流インピーダンスの差異が所定値の範囲にあり、変化が少ない場合は、内部抵抗の無い出力特性が変化していると判断する。そして、ＥＣＵ２０は、基本出力特性から得られる出力電圧Ｖｆｃ０と、電圧センサ９によって測定された実際の出力電圧Ｖｆｃ＿ｍとの差分ΔＶを算出する（Ｓ３０３）。

そして、ＥＣＵ２０は、内部抵抗の無い出力特性を以下の式にしたがって補正する（Ｓ３０４）。

Ｖｉｒｆ’＝Ｖｉｒｆ＋ΔＶ；
次に、補正された内部抵抗の無い出力特性により、燃料電池の出力特性を求める（Ｓ３０５）。

Ｖｆｃ（Ｉｆ）＝Ｖｉｒｆ’（Ｉｆ）＋Ｒ０×Ｉｆ；
以上の処理の後、ＥＣＵ５は、測定された交流インピーダンスを前回測定した交流イン
ピーダンスとして保存する（Ｓ３０６、この処理を実行するＥＣＵ２０が本発明の交流インピーダンスを記憶する手段に相当）。その後、ＥＣＵ２０は、出力特性推定処理を終了する。以上のＳ１０８−Ｓ１１０またはＳ３０３−Ｓ３０５を実行するＥＣＵ２０が本発明の出力特性補正手段に相当する。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムによれば、基本出力特性と、実際に測定された電流電圧特性のずれが、内部抵抗に起因するものか、内部抵抗の無い出力特性に起因するものかを判定して、燃料電池の出力特性を推定する。そのため、第１実施形態の場合と比較してさらに正確に燃料電池の出力特性を推定できる。その結果、事前に求める内部抵抗の無い出力特性の精度は、ある程度の誤差を許容されるので、その工数を大幅に低減できる。

なお、図１３のＳ１０９で補正した内部抵抗Ｒ１をＥＣＵ２０のメモリに保存するようにしてもよい。その場合に、Ｓ３０５の処理では、すでに、補正された内部抵抗Ｒ１が保存されている場合に、基本内部抵抗Ｒ０に代えて補正された内部抵抗Ｒ１を用いて出力特性を求めるようにしてもよい。すなわち、以下の式
Ｖｆｃ（Ｉｆ）＝Ｖｉｒｆ’（Ｉｆ）＋Ｒ１×Ｉｆ；
によって、出力特性を補正してもよい。

《第５実施形態》
図１４および図１５を参照して本発明の第５実施形態を説明する。上記第２実施形態では、燃料電池本体１の温度と空気の加湿量に基づいて、燃料電池本体１の基本内部抵抗Ｒ０を推定した。一方、第４実施形態では、燃料電池の交流インピーダンスの変化量に基づいて、基本内部抵抗Ｒ０を補正するか、基本出力特性を補正するかを判定した。本実施形態では、空気の加湿量と燃料電池の交流インピーダンスにしたがって基本内部抵抗Ｒ０を推定する燃料電池システムを説明する。本実施形態の他の構成および作用は、第１実施形態の場合と同様である。そこで、第１実施形態の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１４は、空気への加湿量を変更したときの交流インピーダンス（オーム抵抗）と内部抵抗の関係を測定した測定結果の一例である。図１４のように、通常、加湿量が少ないほど、内部抵抗は大きくなる。内部抵抗は、例えば、第１実施形態と同様の方法で測定することができ、交流インピーダンスは第４実施形態と同様の方法により測定することができる。すなわち、燃料電池本体１の温度、空気の加湿量、および交流インピーダンスを測定しておき、燃料電池本体１の温度と加湿量から図７にしたがって、基本内部抵抗Ｒ０を求める。このとき、同一の温度および加湿量の条件下での、交流インピーダンスを求める。そして、基本内部抵抗Ｒ０と交流インピーダンスとの関係をプロットすればよい。

本実施形態では、このような加湿量と、交流インピーダンスと、基本内部抵抗Ｒ０の関係を事前にＥＣＵ２０のメモリにマップとして記憶しておく。そして、加湿量および交流インピーダンスの測定結果に基づいて基本内部抵抗Ｒ０を決定する。

図１５に、ＥＣＵ２０が実行する燃料電池システム制御処理のフローチャートを示す。この処理では、ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃ、空気流量Ｆａｉｒ、空気圧力Ｐａｉｒを読み取る（Ｓ１００）。この処理は、第１実施形態での図５の場合と同様である。

次に、ＥＣＵ２０は、燃料電池の交流インピーダンスＺｒｅ（ω）を測定する。この処理は、第４実施形態の図１３に示したＳ３０１と同様である。

次に、ＥＣＵ２０は、湿度センサまたは加湿器の流量から加湿量Ｓａｉｒを算出する（Ｓ２１０）。そして、ＥＣＵ２０は、交流インピーダンスＺｒｅ（ω）および加湿量に基づいて、マップ（図１４参照）から基本内部抵抗Ｒ０を参照する。以降の処理は、図５のＳ１０２以下の処理と同様である。

以上述べたように、本実施形態では、交流インピーダンスおよび空気の加湿量と基本内部抵抗Ｒ０の関係を示すマップを参照して、燃料電池の交流インピーダンスおよび空気の加湿量から基本内部抵抗Ｒ０を決定する。したがって、上記第２実施形態のように単純に加湿量から基本内部抵抗Ｒ０を決定する場合と比較してさらに正確に燃料電池の出力特性を推定できる。また、第４実施形態のように、交流インピーダンスの測定値を内部抵抗の変化の有無の判定に用いる場合と比較してさらに正確に燃料電池の出力特性を推定できる。

《第６実施形態》
図１６を参照して本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムを説明する。上記第５実施形態では、燃料電池の交流インピーダンスと空気の加湿量に基づいて燃料電池の基本内部抵抗Ｒ０を算出する燃料電池システムの例を説明した。本実施形態では、そのようにして求めた基本内部抵抗Ｒ０によって算出した燃料電池の出力特性を交流インピーダンスによって補正する燃料電池システムを説明する。すなわち、本実施形態では、第５実施形態の燃料電池システムにおいて、第４実施形態と同様の補正処理を実行する。

本実施形態の他の構成および作用は、第４実施形態および第５実施形態の場合と同様である。そこで、第４実施形態または第５実施形態の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１６に、ＥＣＵ２０が実行する燃料電池システム制御処理のフローチャートを示す。この処理では、ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１の温度Ｔｆｃ、空気流量Ｆａｉｒ、空気圧力Ｐａｉｒを読み取る（Ｓ１００）。この処理は、第１実施形態での図５の場合と同様である。

次に、ＥＣＵ２０は、燃料電池の交流インピーダンスＺｒｅ（ω）を測定する。さらに、ＥＣＵ２０は、空気の加湿量Ｓａｉｒを算出する（Ｓ２１０）。そして、ＥＣＵ２０は、交流インピーダンスＺｒｅ（ω）および加湿量に基づいて、マップ（図１４参照）から基本内部抵抗Ｒ０を参照する（Ｓ４０１）。これらの処理は、図１５と同様である。そして、以降、ＥＣＵ２０は、燃料電池の出力電圧と基本出力特性の差異の判定（Ｓ１０７）、および交流インピーダンスの変動量の判定（Ｓ３０２）を実行し、燃料電池の出力特性を補正する。これらの処理は、第４実施形態に示した図１３の処理と同様である。

以上述べたように、本実施形態では、燃料電池の交流インピーダンスと空気の加湿量に基づいて基本内部抵抗Ｒ０を算出するとともに、燃料電池の交流インピーダンスの変動量にしたがって燃料電池の出力特性を補正する。したがって、第４実施形態あるいは第５実施形態の場合と比較してさらに正確に燃料電池の出力特性を算出できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。 セルスタックの温度と、内部抵抗の関係の一例を示す図である。 空気極側の圧力の変化に伴う電流電圧特性の変化の例を示す図である。 燃料電池に供給される空気流量を変化させた場合の電流電圧特性の例を示す。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム制御処理のフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。 燃料電池の加湿量、燃料電池温度および内部抵抗の関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム制御処理のフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。 加湿器における空気流量および燃料電池本体１の温度と加湿量との関係の一例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム制御処理のフローチャートである。 交流インピーダンスの例を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システム制御処理のフローチャートである。 空気への加湿量を変更したときの交流インピーダンスと内部抵抗の関係を測定した測定結果の一例を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池システム制御処理のフローチャートである。 本発明の第６実施形態に係る燃料電池システム制御処理のフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
２ エアコンプレッサ
３ エア流量計
４ 圧力センサ
５ 調圧バルブ
６ 温度センサ
７ 水素タンク
８ 電流センサ
９ 電圧センサ
１１ 加湿器
１２ 湿度センサ
１３ 水蒸気交換膜型加湿器

Claims (5)

1. 燃料電池の反応ガスの流量に依存して生じる燃料電池の拡散抵抗および前記反応ガスの圧力に依存して生じる燃料電池の反応抵抗の双方を除外した、そのような燃料電池の内部抵抗と前記燃料電池の運転状態を示す少なくとも１つの動作パラメータとの関係を記憶する内部抵抗記憶手段と、
   前記燃料電池の動作パラメータのいずれかの現在の値を検出する検出手段と、
   前記検出された動作パラメータの値から前記内部抵抗記憶手段を利用して燃料電池の内部抵抗を推定し、その推定値を基本内部抵抗として設定する内部抵抗推定手段と、
   前記燃料電池に供給される空気の流量および圧力を変更したときの、前記内部抵抗の影響を除外した燃料電池の出力電流および出力電圧の関係である内部抵抗除外出力特性を前記流量および圧力とともに記憶する出力特性記憶手段と、
   前記燃料電池に供給される空気の流量を測定する手段と、
   前記空気の圧力を測定する手段と、
   前記空気の流量と圧力とから前記燃料電池の内部抵抗除外出力特性を決定する手段と、
   前記基本内部抵抗と前記内部抵抗除外出力特性とから前記燃料電池の基本出力特性を設定する手段と、
   燃料電池の出力電流を測定する手段と、
   前記出力電流が出力されている燃料電池の出力電圧を測定する手段と、
   前記出力電流と出力電圧とによって前記基本出力特性を補正する演算手段と、を備える燃料電池システム。
2. 前記動作パラメータは、前記燃料電池の温度、前記燃料電池内の湿度、または前記燃料電池の出力端子において所定の周波数の交流信号により測定される交流インピーダンスを含む請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記演算手段は、
   前記出力電流と出力電圧とにより前記燃料電池の基本内部抵抗を補正する手段と、
   前記補正された基本内部抵抗によって前記基本出力特性を補正する手段とを有する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記演算手段は、
   前記補正された基本内部抵抗を新たな基本内部抵抗として記憶する補正値記憶手段と、
   前記基本内部抵抗が前記補正値記憶手段に記憶されているときに、前記出力電流と出力電圧とにより前記基本内部抵抗をさらに補正する手段と、
   前記さらに補正された基本内部抵抗により前記基本出力特性を補正する手段とをさらに有する請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記検出手段は、
   燃料電池の出力端子において所定の周波数の交流信号により測定される交流インピーダンスを測定する測定手段と、
   測定した前記交流インピーダンスを記憶する手段と、を有し
   前記演算手段は、
   前記測定手段によって測定された交流インピーダンスと前記記憶手段に記憶されていた過去に測定済みの交流インピーダンスとを比較する比較手段と、
   比較手段による比較の結果、前記測定された交流インピーダンスと前記過去に測定済みの交流インピーダンスとの間で所定以上の差異がある場合に、前記基本内部抵抗を補正し、前記測定された交流インピーダンスと前記過去に測定済みの交流インピーダンスとの間で所定以上の差異がない場合に前記内部抵抗除外出力特性を補正する、出力特性補正手
   段と、を有する請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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