JP4273781B2 - 燃料電池の運転状態判定装置及びその方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池の運転状態を判定する装置としては、特許文献１に開示されているものが知られている。特許文献１の装置では、燃料電池を構成する複数の単電池の少なくとも一つの単電池の出力電圧が所定値よりも低下したときに燃料ガスが異常に減少したと判定し、燃料電池の運転を停止することにより燃料電池の保護を図っている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−３１０１６１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単電池の出力電圧が所定値（適正な運転状態における出力電圧）よりも低下する現象は、燃料ガスが異常に減少したときつまり燃料ガス不足状態のときに限らず、酸化ガス不足状態や、単電池を構成する固体電解質膜が過剰に乾燥した状態（ドライアップ状態）や、単電池を構成する燃料ガス流路や酸化ガス流路に水滴が溜まる状態（フラッディング状態）のときにも見られることから、単電池の出力電圧が所定値より低下したことのみによっては燃料電池の運転状態を詳しく知ることはできなかった。
【０００５】
本発明は課題に鑑みなされたものであり、燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる運転状態判定装置及びその方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明の燃料電池の運転状態判定装置及びその方法は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
すなわち、本発明の燃料電池の運転状態判定装置は、
燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定装置であって、
少なくとも一つの前記単電池又は前記単電池を積層した単電池積層体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
少なくとも一つの前記単電池又は前記単電池を積層した単電池積層体の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記インピーダンス測定手段及び前記電圧測定手段によって測定されたインピーダンス及び電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定する運転状態判定手段と
を備え、
前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが前記適正インピーダンスであり前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧よりも落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定するものである。
本発明の運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入ると判定されてから所定の判定所要時間が経過するまでの期間に前記インピーダンス測定手段及び前記電圧測定手段によって複数回測定されたインピーダンス及び電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定するものとしてもよい。また、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが予め定められた適正インピーダンスでないときには、ドライアップ状態であると判定するものとしてもよい。このとき、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが前記適正インピーダンスのときには、前記電圧測定手段によって測定された電圧に基づいて運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態及びフラッディング状態のいずれであるかを判定するものとしてもよい。本発明の運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがシャープなときには、運転状態がフラッディング状態であると判定するものとしてもよい。本発明の運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがブロードなときには、運転状態が酸化ガス不足状態であると判定するものとしてもよい。本発明の運転状態判定装置において、前記所定電圧は０［Ｖ］以下の値に設定されていてもよい。本発明の燃料電池の運転状態判定方法は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定方法であって、少なくとも一つの単電池又は単電池を積層した単電池積層体のインピーダンス及び少なくとも一つの単電池又は単電池を積層した単電池積層体の電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定するステップを含み、前記ステップでは、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが前記適正インピーダンスであり前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧よりも落ち込むと きには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定するものである。
【０００７】
本明細書記載の発明の第１は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定装置であって、
少なくとも一つの前記単電池又は前記単電池を積層した単電池積層体の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧より落ち込むときには運転状態が燃料ガス不足状態又はドライアップ状態である第１の運転状態と判定し、前記電圧測定手段によって測定された電圧が前記不適正電圧範囲に入り且つ前記所定電圧を上回るときには運転状態が酸化ガス不足状態又はフラッディング状態である第２の運転状態と判定する運転状態判定手段と
を備えたものである。
【０００８】
この運転状態判定装置では、単電池又は単電池積層体の電圧を測定し、その測定電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ所定電圧より落ち込むときには運転状態が第１の運転状態（燃料ガス不足状態かドライアップ状態）と判定し、測定電圧が不適正電圧範囲に入り且つ所定電圧を上回るときには運転状態が第２の運転状態（酸化ガス不足状態かフラッディング状態）であると判定する。このため、従来に比べて燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。ここで、測定電圧が不適正電圧範囲に入るか否かの判断と測定電圧が所定電圧より落ち込んでいるか否かの判断は、どちらを先に行ってもよい。また、測定電圧が所定電圧より落ち込んでいた場合には当然不適正電圧範囲に入るため、測定電圧が所定電圧より落ち込んでいた場合にはその後不適正電圧範囲に入るか否かの判断を省略してもよい。更に、「不適正電圧範囲」は、例えば燃料電池が適正な運転状態のときに取り得る電圧範囲よりも低く設定されていてもよいし、燃料電池が適正な運転状態のときに取り得るばらつきの範囲よりも大きくばらつく範囲に設定されていてもよい。あるいは、「所定電圧」は、例えば酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない値で且つ燃料ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得る値を経験的に求め、その経験値に基づいて定められていてもよく、具体的には０［Ｖ］以下の値に設定されていることが好ましく、特に−０．２〜０［Ｖ］の範囲に設定されていることが好ましい。
【０００９】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が前記不適正電圧範囲に入ると判定されてから所定の判定所要時間が経過するまでの期間に前記電圧測定手段によって複数回測定された電圧に基づいて、運転状態が前記第１の運転状態か前記第２の運転状態のいずれであるかを判定してもよい。こうすれば、時間に伴う電圧の変化を考慮して適切に運転状態を判定することができる。
【００１０】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が前記不適正電圧範囲に入り且つ前記所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがシャープなときには、運転状態がフラッディング状態であると判定し、前記電圧測定手段によって測定された電圧が前記不適正電圧範囲に入り且つ前記所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがブロードなときには、運転状態が酸化ガス不足状態であると判定してもよい。今回得られた知見では、燃料電池の運転状態がフラッディング状態の場合には測定電圧が不適正電圧範囲に入ったあと短時間のうちに電圧が上昇する傾向が見られたのに対して、酸化ガス不足状態の場合には測定電圧が不適正電圧範囲に入ったあと略一定の値を保ったままになったり暫くしてから電圧が上昇したりする傾向が見られた。このため、時間に対する電圧のピークがシャープかブロードかを判断することで、適切にフラッディング状態か酸化ガス不足状態かを区別できる。
【００１１】
この運転状態判定装置は、少なくとも一つの単電池又は単電池を積層した単電池積層体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段を備え、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが予め定められた適正インピーダンス範囲でないときには、運転状態がドライアップ状態であると判定し、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが予め定められた適正インピーダンス範囲であり且つ前記電圧測定手段によって測定された電圧が前記不適正電圧範囲に入り前記所定電圧より落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定してもよい。こうすれば、測定電圧だけで区別するのが難しいドライアップ状態と燃料ガス不足状態とを適切に区別することができる。
【００１２】
本明細書記載の発明の第２は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定方法であって、
（ａ）少なくとも一つの単電池又は単電池積層体の電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入るか否かを判定するステップと、
（ｂ）前記電圧が予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧より落ち込むか否かを判定するステップと、
（ｃ）前記電圧が前記不適正電圧範囲に入り且つ前記所定電圧より落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態又はドライアップ状態である第１の運転状態と判定し、前記電圧が前記不適正電圧範囲に入り且つ前記所定電圧を上回るときには、運転状態が酸化ガス不足状態又はフラッディング状態である第２の運転状態と判定するステップと
を含むものである。
【００１３】
この運転状態判定方法において、更に、少なくとも一つの単電池又は単電池積層体のインピーダンスが予め定められた適正インピーダンス範囲か否かを判定するというステップ（ｄ）を含み、前記ステップ（ｃ）では、前記インピーダンスが予め定められた適正インピーダンス範囲でないときには、運転状態がドライアップ状態であると判定し、前記インピーダンスが前記適正インピーダンス範囲であり且つ前記少なくとも一つの単電池又は単電池積層体の電圧が前記不適正電圧範囲に入り前記所定電圧より落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定してもよい。
【００１４】
本明細書記載の発明の第３は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定装置であって、
少なくとも一つの単電池又は単電池積層体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
少なくとも一つの単電池又は単電池積層体の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記インピーダンス測定手段及び前記電圧測定手段によって測定されたインピーダンス及び電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定する運転状態判定手段と
を備えたものである。
【００１５】
この運転状態判定装置では、単電池又は単電池積層体のインピーダンスを測定すると共に単電池又は単電池積層体の電圧を測定し、その測定インピーダンス及び測定電圧に基づいて運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定する。このため、測定インピーダンスだけに基づいて運転状態を判定する場合や測定電圧だけに基づいて運転状態を判定する場合に比べて、燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。なお、測定インピーダンスに基づく判定と測定電圧に基づく判定のどちらを先に行うかは特に限定されない。
【００１６】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入ると判定されてから所定の判定所要時間が経過するまでの期間に前記インピーダンス測定手段及び前記電圧測定手段によって複数回測定されたインピーダンス及び電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定してもよい。こうすれば、時間に伴う電圧の変化を考慮して適切に運転状態を判定することができる。
【００１７】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが予め定められた適正インピーダンスでないときには、ドライアップ状態であると判定してもよい。こうすれば、測定電圧だけで区別するのが難しいドライアップ状態と燃料ガス不足状態とを適切に区別することができる。この態様を採用した場合において、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが前記適正インピーダンスのときには、前記電圧測定手段によって測定された電圧に基づいて運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態及びフラッディング状態のいずれであるかを判定してもよい。測定インピーダンスが適正インピーダンスだったときつまりドライアップ状態でなかったときには、燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態及びフラッディング状態のいずれかであるが、これらは測定電圧だけに基づいて適切に判定することができる。また、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが前記適正インピーダンスであり前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧よりも落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定してもよい。測定インピーダンスが適正インピーダンスだったときつまりドライアップ状態でなかったときには、測定電圧が所定電圧よりも落ち込むか否かによって燃料ガス不足状態かそれ以外の状態かを判定することができる。
【００１８】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがシャープなときには、運転状態がフラッディング状態であると判定してもよい。また、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがブロードなときには、運転状態が酸化ガス不足状態であると判定してもよい。今回得られた知見では、燃料電池の運転状態がフラッディング状態の場合には測定電圧が不適正電圧範囲に入ったあと短時間のうちに電圧が上昇する傾向が見られたのに対して、酸化ガス不足状態の場合には測定電圧が不適正電圧範囲に入ったあと略一定の値を保ったままになったり暫くした後電圧が上昇したりする傾向が見られた。このため、時間に対する電圧のピークがシャープかブロードかを判断することで、適切にフラッディング状態か酸化ガス不足状態かを区別できる。
【００１９】
本明細書記載の発明の第４は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定方法であって、少なくとも一つの単電池又は単電池積層体のインピーダンス及び少なくとも一つの単電池又は単電池積層体の電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定するステップを含むものである。こうすれば、測定インピーダンスだけに基づいて運転状態を判定する場合や測定電圧だけに基づいて運転状態を判定する場合に比べて、燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。なお、測定インピーダンスに基づく判定と測定電圧に基づく判定のどちらを先に行うかは特に限定されない。
【００２０】
本明細書記載の発明の第５は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定装置であって、
少なくとも一つの単電池又は単電池積層体の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた第１の所定電圧以下であり且つ第２の所定電圧以上の場合には運転状態が酸化ガス不足状態の可能性があると判定し、前記電圧測定手段によって測定された電圧が第２の所定電圧以下の場合には運転状態が燃料ガス不足状態の可能性があると判定する運転状態判定手段と
を備えたものである。
【００２１】
この運転状態判定装置では、単電池又は単電池積層体の電圧を測定し、その測定電圧が第１の所定電圧以下であり且つ第２の所定電圧以上の場合（但し第１の所定電圧＞第２の所定電圧）には、運転状態が酸化ガス不足状態の可能性があると判定し、測定電圧が第２の所定電圧以下の場合には、運転状態が燃料ガス不足状態の可能性があると判定する。このため、従来に比べて燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。ここで、「第１の所定電圧」は、例えば燃料電池が適正な運転状態のときに取り得る電圧範囲よりも低く設定されていてもよく、「第２の所定電圧」は、例えば経験に基づいて酸化ガス不足状態のときよりも低い値であって燃料ガス不足状態のときよりも高い値に設定されていてもよい。
【００２２】
この運転状態判定装置は、更に、少なくとも一つの単電池又は単電池積層体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段を備え、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定された適正インピーダンス範囲でないときには運転状態がドライアップ状態であると判定してもよい。こうすれば、測定電圧だけで区別するのが難しいドライアップ状態と燃料ガス不足状態とを適切に区別することができる。
【００２３】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧のピークが時間に対してシャープなときには運転状態がフラッディング状態であると判定してもよい。こうすれば、時間に対する電圧のピークがシャープか否かを判断することで、適切にフラッディング状態か否かを判定できる。
【００２４】
本明細書記載の発明の第６は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定方法であって、少なくとも一つの前記単電池又は前記単電池を積層した単電池積層体の電圧が予め定められた第１の所定電圧以下であり且つ第２の所定電圧以上の場合には運転状態が酸化ガス不足状態の可能性があると判定し、前記電圧測定手段によって測定された電圧が第２の所定電圧以下の場合には運転状態が燃料ガス不足状態の可能性があると判定するステップを含むものである。こうすれば、従来に比べて燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。
【００２５】
なお、本明細書記載の発明の第２〜第６における用語の意義は、本明細書記載の発明の第１と同様である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。図１は、本発明の運転状態判定装置として機能する燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。図示するように、燃料電池システム２０は、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２２と、この燃料ガス供給装置２２から供給される燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器２３と、酸素を含有する酸化ガス（例えば、空気）を供給する酸化ガス供給装置２４と、この酸化ガス供給装置２４から供給される酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿器２５と、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池３０と、燃料電池３０を冷却する冷却装置５０と、燃料電池システム２０の運転をコントロールする電子制御ユニット６０とを備える。
【００２７】
燃料ガス供給装置２２は、水素を含有する燃料ガスを供給する装置であり、例えば、メタノールやメタンなどの炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを供給する改質器としてもよく、水素を含有する燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵タンクとしてもよい。酸化ガス供給装置２４は、酸素を含有する酸化ガスを供給する装置であり、単に空気を供給するエアポンプとしてもよく、空気以外の酸化ガスを貯蔵する酸化ガス貯蔵タンクとしてもよい。なお、燃料ガス供給装置２２および酸化ガス供給装置２４は、信号ラインで電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０によって燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御されるようになっている。
【００２８】
燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器２５は、水タンク２６から汲み上げた水を気化させて燃料ガスや酸化ガスに供給する加湿器である。この燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器２５は、信号ラインで電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０によって燃料ガスの加湿量や酸化ガスの加湿量が制御されるようになっている。
【００２９】
燃料電池３０は、単電池３１を複数（例えば数百個）積層して構成される固体高分子型の燃料電池である。図２に燃料電池３０を構成する単電池３１の概略構成を示す。図示するように、単電池３１は、フッ素系樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン伝導性の膜体である固体電解質膜３２と、白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成され触媒が練り込められた面で固体電解質膜３２を挟持してサンドイッチ構造を構成するガス拡散電極としてのアノード３３およびカソード３４と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード３３およびカソード３４とで燃料ガスや酸化ガスの流路３６，３７を形成すると共に隣接する単電池３１との間の隔壁をなす２つのセパレータ３５とにより構成されている。
【００３０】
燃料電池３０には、燃料電池３０を構成する各単電池３１から出力される電圧Ｖを検出する電圧計４０、燃料電池３０から出力される電流Ｉを検出する電流計４２、燃料電池全体の温度を検出する燃料電池温度センサ４４、燃料ガスおよび酸化ガスのガス圧Ｐを検出する圧力センサ４６、燃料電池全体のインピーダンスを検出するインピーダンス検出器４８などが取り付けられている。これらのセンサは信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されている。ここで、インピーダンス検出器４８としては、燃料電池３０の出力端子に微小の交流電流を印加したときの交流電圧からインピーダンスを求めるＡＣミリオームセンサなどが知られている。燃料電池３０のインピーダンスは、前述の燃料電池３０の構成からすると、アノード３３やカソード３４，セパレータ３５の抵抗と、固体電解質膜３２のプロトン伝導性に基づく抵抗とに大別される。アノード３３やカソード３４，セパレータ３５は導電性材料により形成されているから、加湿されているか否かによってはそのインピーダンスをほとんど変化させない。一方、固体電解質膜３２は、湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示すものの、ドライアップのときにはプロトン伝導性が悪化する。したがって、燃料電池３０のインピーダンスは、固体電解質膜３２がドライアップ状態か否かを反映することになる。
【００３１】
燃料電池３０の燃料ガスおよび酸化ガスの排出管には、それぞれ圧力調節バルブ２７，２８が取り付けられており、燃料電池３０内の燃料ガスや酸化ガスのガス圧を調節できるようになっている。なお、圧力調節バルブ２７，２８の各アクチュエータは信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０による駆動制御を受ける。
【００３２】
冷却装置５０は、燃料電池３０内部に形成された冷却水流路とこの冷却水流路に対して冷却水を給排する循環管路とからなる冷却水管路５２と、冷却水管路５２に取り付けられ外気との熱交換により冷却水を冷却する熱交換器５６と、冷却水を循環管路に循環させる冷却水用ポンプ５４と、冷却水管路５２の燃料電池３０の出口付近における冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ５８とを備える。冷却水用ポンプ５４と冷却水温度センサ５８は信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されており、燃料電池３０の冷却の制御が電子制御ユニット６０によって行なわれるようになっている。即ち、冷却水温度センサ５８により検出される冷却水の温度に基づいて冷却水用ポンプ５４が駆動され、冷却水の循環流量の制御がなされのである。
【００３３】
電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ６４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ６６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット６０には、図示しない流量計や温度計などからの燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４から供給される燃料ガスや酸化ガスの供給量や温度，燃料ガス加湿器２３や酸化ガス供給装置２４の運転状態，電圧計４０からの燃料電池３０から出力される電圧Ｖ，電流計４２からの燃料電池３０から出力される電流Ｉ，燃料電池温度センサ４４からの燃料電池の温度，圧力センサ４６からの燃料電池３０の燃料ガスや酸化ガスのガス圧Ｐ，インピーダンス検出器４８からの燃料電池３０のインピーダンスＺ，冷却水温度センサ５８からの冷却水の温度などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット６０からは、燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４への駆動信号，燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５への駆動信号，冷却水用ポンプ５４への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００３４】
次に、こうして構成された燃料電池システム２０につき、ドライアップ、フラッディング、燃料ガス不足及び酸化ガス不足の各運転状態を強制的に作り出し、負荷電流一定（Ｉｏ）で定常運転したときに燃料電池３０を構成する各単電池３１の出力電圧Ｖや燃料電池全体のインピーダンスＺを測定した。図３〜図６は、各運転状態での時間に対する単電池３１の電圧Ｖ（セル電圧ともいう）のグラフであり、積層された多数の単電池３１の出力電圧Ｖの時間変化を重ねて表示したものである。なお、測定は１ｓｅｃごとに行った。
【００３５】
ドライアップ状態は、通常よりも加湿量を減らすと共に冷却装置５０による冷却を抑えて燃料電池全体の温度を上げることにより、強制的に実現させた。図３は、このときの時間に対する各単電池３１の出力電圧Ｖの時間変化を示したものである。図３から、ドライアップ状態になると、各単電池３１の出力電圧Ｖは急激に落ち込み、いわゆる逆電位と呼ばれるマイナス領域まで落ち込むものもあった。また、燃料電池全体のインピーダンスＺは、固体電解質膜３２が湿潤状態から乾燥状態になりプロトン伝導性が低下することにより、通常の３倍以上の値になった。
【００３６】
フラッディング状態は、通常よりも加湿量を増やすと共に冷却装置５０による冷却を十分行い燃料電池全体の温度を下げることにより、強制的に実現させた。図４は、このときの時間に対する各単電池３１の出力電圧Ｖの時間変化を示したものである。図４から、フラッディング状態になると、各単電池３１の出力電圧Ｖは経時に伴い急激に落ち込むもののマイナス領域まで落ち込むことはなく、その後直ちに上昇するというシャープな形状のピークが幾つか観察された。これは、単電池３１のセパレータ３５の流路３６，３７に水が溜まることで出力電圧Ｖが落ち込んだ後、その水がガスに持ち去られることで出力電圧Ｖが高くなったものと思われる。なお、フラッディング状態では、燃料電池全体のインピーダンスは、適正な運転状態の場合と差は見られなかった。
【００３７】
燃料ガス不足状態は、水素と酸素との電気化学反応が起こるときの化学量論値に対して水素が不足するように燃料ガスの供給量を設定することにより、強制的に実現させた。図５は、このときの時間に対する各単電池３１の出力電圧Ｖの時間変化を示したものである。図５から、燃料ガス不足状態になると、各単電池３１の出力電圧Ｖは急激に落ち込み、マイナス領域まで落ち込んだ。この出力電圧Ｖのパターンはドライアップ状態のときと酷似していた。なお、燃料ガス不足状態では、燃料電池全体のインピーダンスは、適正な運転状態の場合と差は見られなかった。
【００３８】
酸化ガス不足状態は、水素と酸素との電気化学反応が起こるときの化学量論値に対して酸素が不足するように酸化ガスの供給量を設定することにより、強制的に実現させた。図６は、このときの時間に対する各単電池３１の出力電圧の時間変化を示したものである。図６から、酸化ガス不足状態になると、各単電池３１の出力電圧Ｖは経時に伴い一旦落ち込むもののマイナス領域まで落ち込むことはなく、落ち込んだときの値で暫く安定しその後増加に転じた。なお、酸化ガス不足状態では、燃料電池全体のインピーダンスは、適正な運転状態の場合と差は見られなかった。
【００３９】
以上のことから、ドライアップ状態と燃料ガス不足状態とは、時間に対する単電池３１の出力電圧Ｖの挙動が酷似していて共にマイナス領域又はその近傍まで落ち込むことがあるが、ドライアップ状態では燃料電池全体のインピーダンスの異常上昇が見られるのに対して、燃料ガス不足状態ではそのような現象は見られない。一方、フラッディング状態と酸化ガス不足状態とは、いずれも単電池３１の出力電圧Ｖはマイナス領域まで落ち込むことはないが、フラッディング状態では時間に対する単電池３１の出力電圧Ｖのピークがシャープつまりピーク幅が狭いのに対して、酸化ガス不足状態ではピークがブロードつまりピーク幅が広い。したがって、これらの知見に基づけば、運転状態が適正でないときに、詳しくはどのような状態なのかを詳しく知ることができる
【００４０】
次に、こうして構成された燃料電池システム２０の動作、特に燃料電池３０の運転状態判定処理と、この判定処理に必要なデータを取得するデータ取得処理について説明する。図７は燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行されるデータ取得処理ルーチンの一例を示すフローチャートであり、図８は運転状態判定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【００４１】
まず、データ取得処理ルーチンについて説明する。このルーチンは、燃料電池システム２０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間（例えば１ｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。このデータ取得処理ルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず各単電池３１の電圧計４０から電圧Ｖを取得すると共にインピーダンス検出器４８から燃料電池全体のインピーダンスＺを取得し、取得した電圧Ｖ及びインピーダンスＺを現在の時刻と対応付けてＲＡＭ６６に記憶する（ステップＳ１００）。続いて、ステップＳ１００で取得した電圧Ｖが予め定めた不適正範囲に入るか否かを判定し（ステップＳ１１０）、電圧Ｖが不適正範囲に入らないときにはそのままこのルーチンを終了し、電圧Ｖが不適正範囲に入るときにはフラグＦに値１をセットし（ステップＳ１２０）、このルーチンを終了する。ここで、電圧の不適正範囲は、適正な運転状態のときには取り得ないが不適正な運転状態のときには取り得る低電圧範囲（例えば０．３［Ｖ］以下）であり、経験的なデータに基づいて設定されている。また、フラグＦは、運転状態が不適正な状態になったときに値１にセットされ、そのときの運転状態が後述する運転状態判定処理においてドライアップ状態、フラッディング状態、燃料ガス不足状態及び酸化ガス不足状態のいずれであるかが判定されたあと値０にリセットされるフラグである。
【００４２】
続いて、運転状態判定処理ルーチンについて説明する。このルーチンは、燃料電池システム２０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間（例えば１ｍｉｎ）毎に繰り返し実行される。この運転状態判定処理ルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、フラグＦにつき値０から値１への立ち上がりエッジを検出したか否かを判定し（ステップＳ２０２）、立ち上がりエッジを検出したときには、図示しないタイマによる時間計測を開始し（ステップＳ２０４）、このルーチンを終了する。一方、立ち上がりエッジを検出しなかったときには、フラグＦの値を判定し（ステップＳ２０６）、フラグＦの値が０のときには、運転状態は適正であるためそのままこのルーチンを終了する。一方、フラグＦの値が１のときには、以前にフラグＦの立ち上がりエッジが検出され時間計測が開始されているため、その時間計測を開始してから所定の判定所要時間（例えば数分）が経過したか否かを判定し（ステップＳ２０８）、判定所要時間が経過していないときにはそのままこのルーチンを終了する。ここで、判定所要時間は、ドライアップ、フラッディング、燃料ガス不足及び酸化ガス不足のいずれの状態かを判定するうえで必要となる時間間隔であり、経験的データに基づいて定められている。なお、判定所要時間が経過するまでの間、図７のデータ取得処理ルーチンが繰り返し実行されるため、電圧ＶとインピーダンスＺとが時間に対応付けられてＲＡＭ６６に蓄積される。
【００４３】
ステップＳ２０８で所定の判定所要時間が経過したときには、その判定所要時間内にデータ取得処理ルーチンで取得したデータつまり電圧Ｖ及びインピーダンスＺを読み出し（ステップＳ２１０）、読み出した複数のインピーダンスＺのうち予め定められた閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるか否かを判定する（ステップＳ２１２）。ここで、閾値Ｚｔｈｒは、予め強制的にドライアップ状態を作り出したときのインピーダンスよりも小さく他の運転状態でのインピーダンスよりも大きくなるように設定されている。そして、ステップＳ２１２でインピーダンスＺが閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるときには、現在の運転状態がドライアップ状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２１４）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。
【００４４】
一方、ステップＳ２１２で複数のインピーダンスＺのうち閾値Ｚｔｈｒを超えるものがないときには、ステップＳ２１０で読み出した複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるか否かを判定する（ステップＳ２１６）。ここで、閾値Ｖｔｈｒは、予め強制的に燃料ガス不足状態を作り出したときの電圧Ｖよりも大きく酸化ガス不足やフラッディング状態での電圧Ｖよりも小さくなるように設定されている。具体的には、閾値Ｖｔｈｒは０［Ｖ］以下の値、好ましくは−０．２〜０［Ｖ］の範囲内の値に設定され、本実施形態では−０．１［Ｖ］に設定されている。そして、ステップＳ２１６で複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるときには、現在の運転状態が燃料ガス不足状態つまり水素不足状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２１８）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。
【００４５】
一方、ステップＳ２１６で複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがないときには、ステップＳ２１０で読み出した各単電池３１の時間に対する電圧Ｖのピークがシャープかブロードかを判定する（ステップＳ２２０）。例えば、データ取得処理ルーチンにおいて今回取得した単電池３１の電圧Ｖから前回取得した同じ単電池３１の電圧Ｖを差し引くことにより差分ΔＶを求め、前回と今回との時間差Δｔで除すことによりΔＶ／Δｔを算出し、このΔＶ／Δｔが予め定められた負の値より小さくなってから予め定められた正の値より大きくなるまでの時間幅を算出しこれをピーク幅とみなしてもよい。このとき、負の値、正の値は経験的データに基づいて定めればよい。このΔＶ／Δｔは電圧Ｖの時間微分とみなすことができる。あるいは、電圧Ｖが予め定められた所定のピーク判定用電圧より小さくなってからこのピーク判定用電圧より大きくなるまでの時間幅を算出しこれをピーク幅とみなしてもよい。このときのピーク判定用電圧は経験的データに基づいて定めればよい。そして、ピーク幅が予め定められた所定幅より広ければブロード、狭ければシャープと判定してもよい。
【００４６】
そして、ステップＳ２２０でピーク形状がシャープなときには、現在の運転状態がフラッディング状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２２２）、一方、ピーク形状がブロードなときには、現在の運転状態が酸化ガス不足つまり空気不足状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２２４）、ステップＳ２２２又はステップＳ２２４のあとフラグＦをリセットし（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。
【００４７】
運転状態判定処理ルーチンの終了後、ＣＰＵ６２は、ＲＡＭ６６に記憶した運転状態を図示しないディスプレイに出力したり図示しないプリンタで印刷したりしてもよい。あるいは、記憶した運転状態に基づいて燃料電池３０の運転条件を変更してもよい。例えば、ドライアップ状態のときには、燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５の加湿量を増やしたり冷却装置５０の冷却水用ポンプ５４の吐出量を多くして燃料電池全体の温度を低くしてもよく、フラッディング状態のときには、燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５の加湿量を減らしたり冷却装置５０の冷却水用ポンプ５４の吐出量を少なくして燃料電池全体の温度を高くしたり圧力調節バルブ２７，２８を操作してガス圧を一旦高くしたあと抜くようにしてもよい。また、燃料ガス不足のときには、燃料ガス供給装置２２を操作して燃料ガス供給量を増やしてもよく、酸化ガス不足のときには、酸化ガス供給装置２４を操作して酸化ガス供給量を増やしてもよい。なお、これらの操作に代えて又はこれらに加えて負荷電流を下げてもよい。
【００４８】
以上詳述した燃料電池システム２０によれば、燃料電池全体のインピーダンスＺを測定すると共に各単電池３１の電圧Ｖを測定し、そのインピーダンスＺ及び電圧Ｖに基づいて運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定する。このため、インピーダンスＺだけに基づいて運転状態を判定する場合や電圧Ｖだけに基づいて運転状態を判定する場合に比べて、燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。
【００４９】
また、いずれかの単電池３１の電圧Ｖが不適正電圧範囲に入ると判定されてから所定の判定所要時間が経過するまでの期間に測定されたインピーダンスＺ及び電圧Ｖに基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定するため、時間に伴う電圧の変化を考慮して適切に運転状態を判定することができる。
【００５０】
更に、燃料電池全体のインピーダンスＺが閾値Ｚｔｈｒを超えるときにドライアップ状態であると判定するため、電圧Ｖだけで区別するのが難しいドライアップ状態と燃料ガス不足状態とを適切に区別することができるし、燃料電池全体のインピーダンスＺが閾値Ｚｔｈｒを超えず適正だったときには電圧Ｖに基づいて運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態及びフラッディング状態のいずれであるかを適切に判定することができる。具体的には、電圧Ｖが閾値Ｖｔｈｒよりも落ち込むときには燃料ガス不足状態、そうでないときには時間に対する電圧Ｖのピークの形状をみてシャープなときにはフラッディング状態、ブロードなときには酸化ガス不足状態と適切に判定することができる。
【００５１】
なお、上述した実施形態は、ステップＳ１１０で電圧Ｖが予め定めた不適正範囲に入るか否かを判定する際に、電圧Ｖが予め定めた第１の所定電圧（例えば０．３［Ｖ］）以下か否かを判定し、肯定判定された場合にはその後ステップＳ２１６で複数の電圧Ｖのうち第２の所定電圧である閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるか否かを判定し、肯定判定されたときには燃料ガス不足状態の可能性があり、否定判定されたときには酸化ガス不足状態の可能性があると判定していると見ることもできる。
【００５２】
なお、本発明は上述した実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【００５３】
例えば、上述した実施形態の運転状態判定処理ルーチンでは、インピーダンスＺと閾値Ｚｔｈｒとの比較（ステップＳ２１２）を行ったあと電圧Ｖと閾値Ｖｔｈｒとの比較（ステップＳ２１６）を行ったが、逆に電圧Ｖと閾値Ｖｔｈｒとの比較を行ったあとインピーダンスＺと閾値Ｚｔｈｒとの比較を行ってもよい。具体的には、図９に示すように、ステップＳ２０２〜ステップＳ２１０の処理を行ったあと、読み出した複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるか否かを判定し（ステップＳ２５２）、閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるときには、続いて読み出した複数のインピーダンスＺのうち予め定められた閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるか否かを判定し（ステップＳ２５４）、閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるときには、現在の運転状態がドライアップ状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２５６）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。一方、複数のインピーダンスＺのうち閾値Ｚｔｈｒを超えるものがないときには、現在の運転状態が燃料ガス不足状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２５８）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。また、ステップＳ２５２で電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがないときには、前出のステップＳ２２０以下の処理を行う。この図９の運転状態判定処理ルーチンを実行した場合も、上述した実施形態と同様の効果が得られる。この図９のルーチンは、電圧Ｖが不適正電圧範囲に入り且つ閾値Ｖｔｈｒより落ち込むときには運転状態が燃料ガス不足状態又はドライアップ状態であると判定し、電圧Ｖが不適正電圧範囲に入り且つ閾値Ｖｔｈｒを上回るときには運転状態が酸化ガス不足状態又はフラッディング状態であると判定していると見ることもできる。
【００５４】
また、上述した実施形態では、各単電池３１の電圧Ｖを測定し各電圧Ｖと閾値Ｖｔｈｒとを比較したが、複数積層された単電池３１の中から選ばれた１以上の単電池３１の電圧を測定しその電圧と閾値とを比較してもよいし、幾つかの単電池３１をまとめた単電池モジュールの電圧を測定しその電圧と閾値とを比較してもよいし、燃料電池全体の電圧を測定しその電圧と閾値とを比較してもよい。
【００５５】
更に、上述した実施形態では、燃料電池全体のインピーダンスＺを測定しそのインピーダンスＺと閾値Ｚｔｈｒとを比較したが、各単電池３１のインピーダンスを測定しそのインピーダンスと閾値とを比較してもよいし、複数積層された単電池３１の中から選ばれた１以上の単電池３１のインピーダンスを測定しそのインピーダンスと閾値とを比較してもよいし、幾つかの単電池３１をまとめた単電池モジュールのインピーダンスを測定しそのインピーダンスと閾値とを比較してもよい。
【００５６】
更にまた、上述した燃料電池システム２０は、燃料電池車に適用してもよいし、コジェネレーションシステムに適用してもよいし、その他どのような用途に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 燃料電池３０を構成する単電池３１の断面図である。
【図３】 ドライアップ状態での時間に対する電圧Ｖのグラフである。
【図４】 フラッディング状態での時間に対する電圧Ｖのグラフである。
【図５】 燃料ガス不足状態での時間に対する電圧Ｖのグラフである。
【図６】 酸化ガス不足状態での時間に対する電圧Ｖのグラフである。
【図７】 データ取得処理ルーチンのフローチャートである。
【図８】 運転状態判定処理ルーチンのフローチャートである。
【図９】 他の運転状態判定処理ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
２０ 燃料電池システム、２２ 燃料ガス供給装置、２３ 燃料ガス加湿器、２４ 酸化ガス供給装置、２５ 酸化ガス加湿器、２６ 水タンク、２７，２８圧力調節バルブ、３０ 燃料電池、３１単電池、３２ 電解質膜、３３ アノード、３４ カソード、３５ セパレータ、３６，３７ 流路、４０ 電圧計、４２電流計、４４ 燃料電池温度センサ、４６ 圧力センサ、４８ インピーダンス検出器、５０ 冷却装置、５２ 冷却水管路、５４ 冷却水用ポンプ、５６ 熱交換器、５８ 冷却水温度センサ、６０ 電子制御ユニット、６２ ＣＰＵ、６４ ＲＯＭ、６６ ＲＡＭ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池の運転状態を判定する装置としては、特許文献１に開示されているものが知られている。特許文献１の装置では、燃料電池を構成する複数の単電池の少なくとも一つの単電池の出力電圧が所定値よりも低下したときに燃料ガスが異常に減少したと判定し、燃料電池の運転を停止することにより燃料電池の保護を図っている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−３１０１６１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単電池の出力電圧が所定値（適正な運転状態における出力電圧）よりも低下する現象は、燃料ガスが異常に減少したときつまり燃料ガス不足状態のときに限らず、酸化ガス不足状態や、単電池を構成する固体電解質膜が過剰に乾燥した状態（ドライアップ状態）や、単電池を構成する燃料ガス流路や酸化ガス流路に水滴が溜まる状態（フラッディング状態）のときにも見られることから、単電池の出力電圧が所定値より低下したことのみによっては燃料電池の運転状態を詳しく知ることはできなかった。
【０００５】
本発明は課題に鑑みなされたものであり、燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる運転状態判定装置及びその方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明の燃料電池の運転状態判定装置及びその方法は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
すなわち、本発明の燃料電池の運転状態判定装置は、
燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定装置であって、
少なくとも一つの前記単電池又は前記単電池を積層した単電池積層体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
少なくとも一つの前記単電池又は前記単電池を積層した単電池積層体の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記インピーダンス測定手段及び前記電圧測定手段によって測定されたインピーダンス及び電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定する運転状態判定手段と
を備え、
前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが前記適正インピーダンスであり前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧よりも落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定するものである。
本発明の運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入ると判定されてから所定の判定所要時間が経過するまでの期間に前記インピーダンス測定手段及び前記電圧測定手段によって複数回測定されたインピーダンス及び電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定するものとしてもよい。また、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが予め定められた適正インピーダンスでないときには、ドライアップ状態であると判定するものとしてもよい。このとき、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが前記適正インピーダンスのときには、前記電圧測定手段によって測定された電圧に基づいて運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態及びフラッディング状態のいずれであるかを判定するものとしてもよい。本発明の運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがシャープなときには、運転状態がフラッディング状態であると判定するものとしてもよい。本発明の運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがブロードなときには、運転状態が酸化ガス不足状態であると判定するものとしてもよい。本発明の運転状態判定装置において、前記所定電圧は０［Ｖ］以下の値に設定されていてもよい。本発明の燃料電池の運転状態判定方法は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定方法であって、少なくとも一つの単電池又は単電池を積層した単電池積層体のインピーダンス及び少なくとも一つの単電池又は単電池を積層した単電池積層体の電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定するステップを含み、前記ステップでは、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが前記適正インピーダンスであり前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧よりも落ち込むと きには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定するものである。
【０００７】
本明細書記載の発明の第１は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定装置であって、
少なくとも一つの前記単電池又は前記単電池を積層した単電池積層体の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧より落ち込むときには運転状態が燃料ガス不足状態又はドライアップ状態である第１の運転状態と判定し、前記電圧測定手段によって測定された電圧が前記不適正電圧範囲に入り且つ前記所定電圧を上回るときには運転状態が酸化ガス不足状態又はフラッディング状態である第２の運転状態と判定する運転状態判定手段と
を備えたものである。
【０００８】
この運転状態判定装置では、単電池又は単電池積層体の電圧を測定し、その測定電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ所定電圧より落ち込むときには運転状態が第１の運転状態（燃料ガス不足状態かドライアップ状態）と判定し、測定電圧が不適正電圧範囲に入り且つ所定電圧を上回るときには運転状態が第２の運転状態（酸化ガス不足状態かフラッディング状態）であると判定する。このため、従来に比べて燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。ここで、測定電圧が不適正電圧範囲に入るか否かの判断と測定電圧が所定電圧より落ち込んでいるか否かの判断は、どちらを先に行ってもよい。また、測定電圧が所定電圧より落ち込んでいた場合には当然不適正電圧範囲に入るため、測定電圧が所定電圧より落ち込んでいた場合にはその後不適正電圧範囲に入るか否かの判断を省略してもよい。更に、「不適正電圧範囲」は、例えば燃料電池が適正な運転状態のときに取り得る電圧範囲よりも低く設定されていてもよいし、燃料電池が適正な運転状態のときに取り得るばらつきの範囲よりも大きくばらつく範囲に設定されていてもよい。あるいは、「所定電圧」は、例えば酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない値で且つ燃料ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得る値を経験的に求め、その経験値に基づいて定められていてもよく、具体的には０［Ｖ］以下の値に設定されていることが好ましく、特に−０．２〜０［Ｖ］の範囲に設定されていることが好ましい。
【０００９】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が前記不適正電圧範囲に入ると判定されてから所定の判定所要時間が経過するまでの期間に前記電圧測定手段によって複数回測定された電圧に基づいて、運転状態が前記第１の運転状態か前記第２の運転状態のいずれであるかを判定してもよい。こうすれば、時間に伴う電圧の変化を考慮して適切に運転状態を判定することができる。
【００１０】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が前記不適正電圧範囲に入り且つ前記所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがシャープなときには、運転状態がフラッディング状態であると判定し、前記電圧測定手段によって測定された電圧が前記不適正電圧範囲に入り且つ前記所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがブロードなときには、運転状態が酸化ガス不足状態であると判定してもよい。今回得られた知見では、燃料電池の運転状態がフラッディング状態の場合には測定電圧が不適正電圧範囲に入ったあと短時間のうちに電圧が上昇する傾向が見られたのに対して、酸化ガス不足状態の場合には測定電圧が不適正電圧範囲に入ったあと略一定の値を保ったままになったり暫くしてから電圧が上昇したりする傾向が見られた。このため、時間に対する電圧のピークがシャープかブロードかを判断することで、適切にフラッディング状態か酸化ガス不足状態かを区別できる。
【００１１】
この運転状態判定装置は、少なくとも一つの単電池又は単電池を積層した単電池積層体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段を備え、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが予め定められた適正インピーダンス範囲でないときには、運転状態がドライアップ状態であると判定し、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが予め定められた適正インピーダンス範囲であり且つ前記電圧測定手段によって測定された電圧が前記不適正電圧範囲に入り前記所定電圧より落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定してもよい。こうすれば、測定電圧だけで区別するのが難しいドライアップ状態と燃料ガス不足状態とを適切に区別することができる。
【００１２】
本明細書記載の発明の第２は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定方法であって、
（ａ）少なくとも一つの単電池又は単電池積層体の電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入るか否かを判定するステップと、
（ｂ）前記電圧が予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧より落ち込むか否かを判定するステップと、
（ｃ）前記電圧が前記不適正電圧範囲に入り且つ前記所定電圧より落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態又はドライアップ状態である第１の運転状態と判定し、前記電圧が前記不適正電圧範囲に入り且つ前記所定電圧を上回るときには、運転状態が酸化ガス不足状態又はフラッディング状態である第２の運転状態と判定するステップと
を含むものである。
【００１３】
この運転状態判定方法において、更に、少なくとも一つの単電池又は単電池積層体のインピーダンスが予め定められた適正インピーダンス範囲か否かを判定するというステップ（ｄ）を含み、前記ステップ（ｃ）では、前記インピーダンスが予め定められた適正インピーダンス範囲でないときには、運転状態がドライアップ状態であると判定し、前記インピーダンスが前記適正インピーダンス範囲であり且つ前記少なくとも一つの単電池又は単電池積層体の電圧が前記不適正電圧範囲に入り前記所定電圧より落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定してもよい。
【００１４】
本明細書記載の発明の第３は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定装置であって、
少なくとも一つの単電池又は単電池積層体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
少なくとも一つの単電池又は単電池積層体の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記インピーダンス測定手段及び前記電圧測定手段によって測定されたインピーダンス及び電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定する運転状態判定手段と
を備えたものである。
【００１５】
この運転状態判定装置では、単電池又は単電池積層体のインピーダンスを測定すると共に単電池又は単電池積層体の電圧を測定し、その測定インピーダンス及び測定電圧に基づいて運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定する。このため、測定インピーダンスだけに基づいて運転状態を判定する場合や測定電圧だけに基づいて運転状態を判定する場合に比べて、燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。なお、測定インピーダンスに基づく判定と測定電圧に基づく判定のどちらを先に行うかは特に限定されない。
【００１６】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入ると判定されてから所定の判定所要時間が経過するまでの期間に前記インピーダンス測定手段及び前記電圧測定手段によって複数回測定されたインピーダンス及び電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定してもよい。こうすれば、時間に伴う電圧の変化を考慮して適切に運転状態を判定することができる。
【００１７】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが予め定められた適正インピーダンスでないときには、ドライアップ状態であると判定してもよい。こうすれば、測定電圧だけで区別するのが難しいドライアップ状態と燃料ガス不足状態とを適切に区別することができる。この態様を採用した場合において、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが前記適正インピーダンスのときには、前記電圧測定手段によって測定された電圧に基づいて運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態及びフラッディング状態のいずれであるかを判定してもよい。測定インピーダンスが適正インピーダンスだったときつまりドライアップ状態でなかったときには、燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態及びフラッディング状態のいずれかであるが、これらは測定電圧だけに基づいて適切に判定することができる。また、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが前記適正インピーダンスであり前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧よりも落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定してもよい。測定インピーダンスが適正インピーダンスだったときつまりドライアップ状態でなかったときには、測定電圧が所定電圧よりも落ち込むか否かによって燃料ガス不足状態かそれ以外の状態かを判定することができる。
【００１８】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがシャープなときには、運転状態がフラッディング状態であると判定してもよい。また、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがブロードなときには、運転状態が酸化ガス不足状態であると判定してもよい。今回得られた知見では、燃料電池の運転状態がフラッディング状態の場合には測定電圧が不適正電圧範囲に入ったあと短時間のうちに電圧が上昇する傾向が見られたのに対して、酸化ガス不足状態の場合には測定電圧が不適正電圧範囲に入ったあと略一定の値を保ったままになったり暫くした後電圧が上昇したりする傾向が見られた。このため、時間に対する電圧のピークがシャープかブロードかを判断することで、適切にフラッディング状態か酸化ガス不足状態かを区別できる。
【００１９】
本明細書記載の発明の第４は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定方法であって、少なくとも一つの単電池又は単電池積層体のインピーダンス及び少なくとも一つの単電池又は単電池積層体の電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定するステップを含むものである。こうすれば、測定インピーダンスだけに基づいて運転状態を判定する場合や測定電圧だけに基づいて運転状態を判定する場合に比べて、燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。なお、測定インピーダンスに基づく判定と測定電圧に基づく判定のどちらを先に行うかは特に限定されない。
【００２０】
本明細書記載の発明の第５は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定装置であって、
少なくとも一つの単電池又は単電池積層体の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた第１の所定電圧以下であり且つ第２の所定電圧以上の場合には運転状態が酸化ガス不足状態の可能性があると判定し、前記電圧測定手段によって測定された電圧が第２の所定電圧以下の場合には運転状態が燃料ガス不足状態の可能性があると判定する運転状態判定手段と
を備えたものである。
【００２１】
この運転状態判定装置では、単電池又は単電池積層体の電圧を測定し、その測定電圧が第１の所定電圧以下であり且つ第２の所定電圧以上の場合（但し第１の所定電圧＞第２の所定電圧）には、運転状態が酸化ガス不足状態の可能性があると判定し、測定電圧が第２の所定電圧以下の場合には、運転状態が燃料ガス不足状態の可能性があると判定する。このため、従来に比べて燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。ここで、「第１の所定電圧」は、例えば燃料電池が適正な運転状態のときに取り得る電圧範囲よりも低く設定されていてもよく、「第２の所定電圧」は、例えば経験に基づいて酸化ガス不足状態のときよりも低い値であって燃料ガス不足状態のときよりも高い値に設定されていてもよい。
【００２２】
この運転状態判定装置は、更に、少なくとも一つの単電池又は単電池積層体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段を備え、前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定された適正インピーダンス範囲でないときには運転状態がドライアップ状態であると判定してもよい。こうすれば、測定電圧だけで区別するのが難しいドライアップ状態と燃料ガス不足状態とを適切に区別することができる。
【００２３】
この運転状態判定装置において、前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧のピークが時間に対してシャープなときには運転状態がフラッディング状態であると判定してもよい。こうすれば、時間に対する電圧のピークがシャープか否かを判断することで、適切にフラッディング状態か否かを判定できる。
【００２４】
本明細書記載の発明の第６は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定方法であって、少なくとも一つの前記単電池又は前記単電池を積層した単電池積層体の電圧が予め定められた第１の所定電圧以下であり且つ第２の所定電圧以上の場合には運転状態が酸化ガス不足状態の可能性があると判定し、前記電圧測定手段によって測定された電圧が第２の所定電圧以下の場合には運転状態が燃料ガス不足状態の可能性があると判定するステップを含むものである。こうすれば、従来に比べて燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。
【００２５】
なお、本明細書記載の発明の第２〜第６における用語の意義は、本明細書記載の発明の第１と同様である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。図１は、本発明の運転状態判定装置として機能する燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。図示するように、燃料電池システム２０は、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２２と、この燃料ガス供給装置２２から供給される燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器２３と、酸素を含有する酸化ガス（例えば、空気）を供給する酸化ガス供給装置２４と、この酸化ガス供給装置２４から供給される酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿器２５と、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池３０と、燃料電池３０を冷却する冷却装置５０と、燃料電池システム２０の運転をコントロールする電子制御ユニット６０とを備える。
【００２７】
燃料ガス供給装置２２は、水素を含有する燃料ガスを供給する装置であり、例えば、メタノールやメタンなどの炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを供給する改質器としてもよく、水素を含有する燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵タンクとしてもよい。酸化ガス供給装置２４は、酸素を含有する酸化ガスを供給する装置であり、単に空気を供給するエアポンプとしてもよく、空気以外の酸化ガスを貯蔵する酸化ガス貯蔵タンクとしてもよい。なお、燃料ガス供給装置２２および酸化ガス供給装置２４は、信号ラインで電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０によって燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御されるようになっている。
【００２８】
燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器２５は、水タンク２６から汲み上げた水を気化させて燃料ガスや酸化ガスに供給する加湿器である。この燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器２５は、信号ラインで電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０によって燃料ガスの加湿量や酸化ガスの加湿量が制御されるようになっている。
【００２９】
燃料電池３０は、単電池３１を複数（例えば数百個）積層して構成される固体高分子型の燃料電池である。図２に燃料電池３０を構成する単電池３１の概略構成を示す。図示するように、単電池３１は、フッ素系樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン伝導性の膜体である固体電解質膜３２と、白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成され触媒が練り込められた面で固体電解質膜３２を挟持してサンドイッチ構造を構成するガス拡散電極としてのアノード３３およびカソード３４と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード３３およびカソード３４とで燃料ガスや酸化ガスの流路３６，３７を形成すると共に隣接する単電池３１との間の隔壁をなす２つのセパレータ３５とにより構成されている。
【００３０】
燃料電池３０には、燃料電池３０を構成する各単電池３１から出力される電圧Ｖを検出する電圧計４０、燃料電池３０から出力される電流Ｉを検出する電流計４２、燃料電池全体の温度を検出する燃料電池温度センサ４４、燃料ガスおよび酸化ガスのガス圧Ｐを検出する圧力センサ４６、燃料電池全体のインピーダンスを検出するインピーダンス検出器４８などが取り付けられている。これらのセンサは信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されている。ここで、インピーダンス検出器４８としては、燃料電池３０の出力端子に微小の交流電流を印加したときの交流電圧からインピーダンスを求めるＡＣミリオームセンサなどが知られている。燃料電池３０のインピーダンスは、前述の燃料電池３０の構成からすると、アノード３３やカソード３４，セパレータ３５の抵抗と、固体電解質膜３２のプロトン伝導性に基づく抵抗とに大別される。アノード３３やカソード３４，セパレータ３５は導電性材料により形成されているから、加湿されているか否かによってはそのインピーダンスをほとんど変化させない。一方、固体電解質膜３２は、湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示すものの、ドライアップのときにはプロトン伝導性が悪化する。したがって、燃料電池３０のインピーダンスは、固体電解質膜３２がドライアップ状態か否かを反映することになる。
【００３１】
燃料電池３０の燃料ガスおよび酸化ガスの排出管には、それぞれ圧力調節バルブ２７，２８が取り付けられており、燃料電池３０内の燃料ガスや酸化ガスのガス圧を調節できるようになっている。なお、圧力調節バルブ２７，２８の各アクチュエータは信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０による駆動制御を受ける。
【００３２】
冷却装置５０は、燃料電池３０内部に形成された冷却水流路とこの冷却水流路に対して冷却水を給排する循環管路とからなる冷却水管路５２と、冷却水管路５２に取り付けられ外気との熱交換により冷却水を冷却する熱交換器５６と、冷却水を循環管路に循環させる冷却水用ポンプ５４と、冷却水管路５２の燃料電池３０の出口付近における冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ５８とを備える。冷却水用ポンプ５４と冷却水温度センサ５８は信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されており、燃料電池３０の冷却の制御が電子制御ユニット６０によって行なわれるようになっている。即ち、冷却水温度センサ５８により検出される冷却水の温度に基づいて冷却水用ポンプ５４が駆動され、冷却水の循環流量の制御がなされのである。
【００３３】
電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ６４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ６６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット６０には、図示しない流量計や温度計などからの燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４から供給される燃料ガスや酸化ガスの供給量や温度，燃料ガス加湿器２３や酸化ガス供給装置２４の運転状態，電圧計４０からの燃料電池３０から出力される電圧Ｖ，電流計４２からの燃料電池３０から出力される電流Ｉ，燃料電池温度センサ４４からの燃料電池の温度，圧力センサ４６からの燃料電池３０の燃料ガスや酸化ガスのガス圧Ｐ，インピーダンス検出器４８からの燃料電池３０のインピーダンスＺ，冷却水温度センサ５８からの冷却水の温度などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット６０からは、燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４への駆動信号，燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５への駆動信号，冷却水用ポンプ５４への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００３４】
次に、こうして構成された燃料電池システム２０につき、ドライアップ、フラッディング、燃料ガス不足及び酸化ガス不足の各運転状態を強制的に作り出し、負荷電流一定（Ｉｏ）で定常運転したときに燃料電池３０を構成する各単電池３１の出力電圧Ｖや燃料電池全体のインピーダンスＺを測定した。図３〜図６は、各運転状態での時間に対する単電池３１の電圧Ｖ（セル電圧ともいう）のグラフであり、積層された多数の単電池３１の出力電圧Ｖの時間変化を重ねて表示したものである。なお、測定は１ｓｅｃごとに行った。
【００３５】
ドライアップ状態は、通常よりも加湿量を減らすと共に冷却装置５０による冷却を抑えて燃料電池全体の温度を上げることにより、強制的に実現させた。図３は、このときの時間に対する各単電池３１の出力電圧Ｖの時間変化を示したものである。図３から、ドライアップ状態になると、各単電池３１の出力電圧Ｖは急激に落ち込み、いわゆる逆電位と呼ばれるマイナス領域まで落ち込むものもあった。また、燃料電池全体のインピーダンスＺは、固体電解質膜３２が湿潤状態から乾燥状態になりプロトン伝導性が低下することにより、通常の３倍以上の値になった。
【００３６】
フラッディング状態は、通常よりも加湿量を増やすと共に冷却装置５０による冷却を十分行い燃料電池全体の温度を下げることにより、強制的に実現させた。図４は、このときの時間に対する各単電池３１の出力電圧Ｖの時間変化を示したものである。図４から、フラッディング状態になると、各単電池３１の出力電圧Ｖは経時に伴い急激に落ち込むもののマイナス領域まで落ち込むことはなく、その後直ちに上昇するというシャープな形状のピークが幾つか観察された。これは、単電池３１のセパレータ３５の流路３６，３７に水が溜まることで出力電圧Ｖが落ち込んだ後、その水がガスに持ち去られることで出力電圧Ｖが高くなったものと思われる。なお、フラッディング状態では、燃料電池全体のインピーダンスは、適正な運転状態の場合と差は見られなかった。
【００３７】
燃料ガス不足状態は、水素と酸素との電気化学反応が起こるときの化学量論値に対して水素が不足するように燃料ガスの供給量を設定することにより、強制的に実現させた。図５は、このときの時間に対する各単電池３１の出力電圧Ｖの時間変化を示したものである。図５から、燃料ガス不足状態になると、各単電池３１の出力電圧Ｖは急激に落ち込み、マイナス領域まで落ち込んだ。この出力電圧Ｖのパターンはドライアップ状態のときと酷似していた。なお、燃料ガス不足状態では、燃料電池全体のインピーダンスは、適正な運転状態の場合と差は見られなかった。
【００３８】
酸化ガス不足状態は、水素と酸素との電気化学反応が起こるときの化学量論値に対して酸素が不足するように酸化ガスの供給量を設定することにより、強制的に実現させた。図６は、このときの時間に対する各単電池３１の出力電圧の時間変化を示したものである。図６から、酸化ガス不足状態になると、各単電池３１の出力電圧Ｖは経時に伴い一旦落ち込むもののマイナス領域まで落ち込むことはなく、落ち込んだときの値で暫く安定しその後増加に転じた。なお、酸化ガス不足状態では、燃料電池全体のインピーダンスは、適正な運転状態の場合と差は見られなかった。
【００３９】
以上のことから、ドライアップ状態と燃料ガス不足状態とは、時間に対する単電池３１の出力電圧Ｖの挙動が酷似していて共にマイナス領域又はその近傍まで落ち込むことがあるが、ドライアップ状態では燃料電池全体のインピーダンスの異常上昇が見られるのに対して、燃料ガス不足状態ではそのような現象は見られない。一方、フラッディング状態と酸化ガス不足状態とは、いずれも単電池３１の出力電圧Ｖはマイナス領域まで落ち込むことはないが、フラッディング状態では時間に対する単電池３１の出力電圧Ｖのピークがシャープつまりピーク幅が狭いのに対して、酸化ガス不足状態ではピークがブロードつまりピーク幅が広い。したがって、これらの知見に基づけば、運転状態が適正でないときに、詳しくはどのような状態なのかを詳しく知ることができる
【００４０】
次に、こうして構成された燃料電池システム２０の動作、特に燃料電池３０の運転状態判定処理と、この判定処理に必要なデータを取得するデータ取得処理について説明する。図７は燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行されるデータ取得処理ルーチンの一例を示すフローチャートであり、図８は運転状態判定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【００４１】
まず、データ取得処理ルーチンについて説明する。このルーチンは、燃料電池システム２０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間（例えば１ｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。このデータ取得処理ルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず各単電池３１の電圧計４０から電圧Ｖを取得すると共にインピーダンス検出器４８から燃料電池全体のインピーダンスＺを取得し、取得した電圧Ｖ及びインピーダンスＺを現在の時刻と対応付けてＲＡＭ６６に記憶する（ステップＳ１００）。続いて、ステップＳ１００で取得した電圧Ｖが予め定めた不適正範囲に入るか否かを判定し（ステップＳ１１０）、電圧Ｖが不適正範囲に入らないときにはそのままこのルーチンを終了し、電圧Ｖが不適正範囲に入るときにはフラグＦに値１をセットし（ステップＳ１２０）、このルーチンを終了する。ここで、電圧の不適正範囲は、適正な運転状態のときには取り得ないが不適正な運転状態のときには取り得る低電圧範囲（例えば０．３［Ｖ］以下）であり、経験的なデータに基づいて設定されている。また、フラグＦは、運転状態が不適正な状態になったときに値１にセットされ、そのときの運転状態が後述する運転状態判定処理においてドライアップ状態、フラッディング状態、燃料ガス不足状態及び酸化ガス不足状態のいずれであるかが判定されたあと値０にリセットされるフラグである。
【００４２】
続いて、運転状態判定処理ルーチンについて説明する。このルーチンは、燃料電池システム２０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間（例えば１ｍｉｎ）毎に繰り返し実行される。この運転状態判定処理ルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、フラグＦにつき値０から値１への立ち上がりエッジを検出したか否かを判定し（ステップＳ２０２）、立ち上がりエッジを検出したときには、図示しないタイマによる時間計測を開始し（ステップＳ２０４）、このルーチンを終了する。一方、立ち上がりエッジを検出しなかったときには、フラグＦの値を判定し（ステップＳ２０６）、フラグＦの値が０のときには、運転状態は適正であるためそのままこのルーチンを終了する。一方、フラグＦの値が１のときには、以前にフラグＦの立ち上がりエッジが検出され時間計測が開始されているため、その時間計測を開始してから所定の判定所要時間（例えば数分）が経過したか否かを判定し（ステップＳ２０８）、判定所要時間が経過していないときにはそのままこのルーチンを終了する。ここで、判定所要時間は、ドライアップ、フラッディング、燃料ガス不足及び酸化ガス不足のいずれの状態かを判定するうえで必要となる時間間隔であり、経験的データに基づいて定められている。なお、判定所要時間が経過するまでの間、図７のデータ取得処理ルーチンが繰り返し実行されるため、電圧ＶとインピーダンスＺとが時間に対応付けられてＲＡＭ６６に蓄積される。
【００４３】
ステップＳ２０８で所定の判定所要時間が経過したときには、その判定所要時間内にデータ取得処理ルーチンで取得したデータつまり電圧Ｖ及びインピーダンスＺを読み出し（ステップＳ２１０）、読み出した複数のインピーダンスＺのうち予め定められた閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるか否かを判定する（ステップＳ２１２）。ここで、閾値Ｚｔｈｒは、予め強制的にドライアップ状態を作り出したときのインピーダンスよりも小さく他の運転状態でのインピーダンスよりも大きくなるように設定されている。そして、ステップＳ２１２でインピーダンスＺが閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるときには、現在の運転状態がドライアップ状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２１４）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。
【００４４】
一方、ステップＳ２１２で複数のインピーダンスＺのうち閾値Ｚｔｈｒを超えるものがないときには、ステップＳ２１０で読み出した複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるか否かを判定する（ステップＳ２１６）。ここで、閾値Ｖｔｈｒは、予め強制的に燃料ガス不足状態を作り出したときの電圧Ｖよりも大きく酸化ガス不足やフラッディング状態での電圧Ｖよりも小さくなるように設定されている。具体的には、閾値Ｖｔｈｒは０［Ｖ］以下の値、好ましくは−０．２〜０［Ｖ］の範囲内の値に設定され、本実施形態では−０．１［Ｖ］に設定されている。そして、ステップＳ２１６で複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるときには、現在の運転状態が燃料ガス不足状態つまり水素不足状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２１８）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。
【００４５】
一方、ステップＳ２１６で複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがないときには、ステップＳ２１０で読み出した各単電池３１の時間に対する電圧Ｖのピークがシャープかブロードかを判定する（ステップＳ２２０）。例えば、データ取得処理ルーチンにおいて今回取得した単電池３１の電圧Ｖから前回取得した同じ単電池３１の電圧Ｖを差し引くことにより差分ΔＶを求め、前回と今回との時間差Δｔで除すことによりΔＶ／Δｔを算出し、このΔＶ／Δｔが予め定められた負の値より小さくなってから予め定められた正の値より大きくなるまでの時間幅を算出しこれをピーク幅とみなしてもよい。このとき、負の値、正の値は経験的データに基づいて定めればよい。このΔＶ／Δｔは電圧Ｖの時間微分とみなすことができる。あるいは、電圧Ｖが予め定められた所定のピーク判定用電圧より小さくなってからこのピーク判定用電圧より大きくなるまでの時間幅を算出しこれをピーク幅とみなしてもよい。このときのピーク判定用電圧は経験的データに基づいて定めればよい。そして、ピーク幅が予め定められた所定幅より広ければブロード、狭ければシャープと判定してもよい。
【００４６】
そして、ステップＳ２２０でピーク形状がシャープなときには、現在の運転状態がフラッディング状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２２２）、一方、ピーク形状がブロードなときには、現在の運転状態が酸化ガス不足つまり空気不足状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２２４）、ステップＳ２２２又はステップＳ２２４のあとフラグＦをリセットし（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。
【００４７】
運転状態判定処理ルーチンの終了後、ＣＰＵ６２は、ＲＡＭ６６に記憶した運転状態を図示しないディスプレイに出力したり図示しないプリンタで印刷したりしてもよい。あるいは、記憶した運転状態に基づいて燃料電池３０の運転条件を変更してもよい。例えば、ドライアップ状態のときには、燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５の加湿量を増やしたり冷却装置５０の冷却水用ポンプ５４の吐出量を多くして燃料電池全体の温度を低くしてもよく、フラッディング状態のときには、燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５の加湿量を減らしたり冷却装置５０の冷却水用ポンプ５４の吐出量を少なくして燃料電池全体の温度を高くしたり圧力調節バルブ２７，２８を操作してガス圧を一旦高くしたあと抜くようにしてもよい。また、燃料ガス不足のときには、燃料ガス供給装置２２を操作して燃料ガス供給量を増やしてもよく、酸化ガス不足のときには、酸化ガス供給装置２４を操作して酸化ガス供給量を増やしてもよい。なお、これらの操作に代えて又はこれらに加えて負荷電流を下げてもよい。
【００４８】
以上詳述した燃料電池システム２０によれば、燃料電池全体のインピーダンスＺを測定すると共に各単電池３１の電圧Ｖを測定し、そのインピーダンスＺ及び電圧Ｖに基づいて運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定する。このため、インピーダンスＺだけに基づいて運転状態を判定する場合や電圧Ｖだけに基づいて運転状態を判定する場合に比べて、燃料電池の運転状態を詳しく知ることができる。
【００４９】
また、いずれかの単電池３１の電圧Ｖが不適正電圧範囲に入ると判定されてから所定の判定所要時間が経過するまでの期間に測定されたインピーダンスＺ及び電圧Ｖに基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定するため、時間に伴う電圧の変化を考慮して適切に運転状態を判定することができる。
【００５０】
更に、燃料電池全体のインピーダンスＺが閾値Ｚｔｈｒを超えるときにドライアップ状態であると判定するため、電圧Ｖだけで区別するのが難しいドライアップ状態と燃料ガス不足状態とを適切に区別することができるし、燃料電池全体のインピーダンスＺが閾値Ｚｔｈｒを超えず適正だったときには電圧Ｖに基づいて運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態及びフラッディング状態のいずれであるかを適切に判定することができる。具体的には、電圧Ｖが閾値Ｖｔｈｒよりも落ち込むときには燃料ガス不足状態、そうでないときには時間に対する電圧Ｖのピークの形状をみてシャープなときにはフラッディング状態、ブロードなときには酸化ガス不足状態と適切に判定することができる。
【００５１】
なお、上述した実施形態は、ステップＳ１１０で電圧Ｖが予め定めた不適正範囲に入るか否かを判定する際に、電圧Ｖが予め定めた第１の所定電圧（例えば０．３［Ｖ］）以下か否かを判定し、肯定判定された場合にはその後ステップＳ２１６で複数の電圧Ｖのうち第２の所定電圧である閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるか否かを判定し、肯定判定されたときには燃料ガス不足状態の可能性があり、否定判定されたときには酸化ガス不足状態の可能性があると判定していると見ることもできる。
【００５２】
なお、本発明は上述した実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【００５３】
例えば、上述した実施形態の運転状態判定処理ルーチンでは、インピーダンスＺと閾値Ｚｔｈｒとの比較（ステップＳ２１２）を行ったあと電圧Ｖと閾値Ｖｔｈｒとの比較（ステップＳ２１６）を行ったが、逆に電圧Ｖと閾値Ｖｔｈｒとの比較を行ったあとインピーダンスＺと閾値Ｚｔｈｒとの比較を行ってもよい。具体的には、図９に示すように、ステップＳ２０２〜ステップＳ２１０の処理を行ったあと、読み出した複数の電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるか否かを判定し（ステップＳ２５２）、閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがあるときには、続いて読み出した複数のインピーダンスＺのうち予め定められた閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるか否かを判定し（ステップＳ２５４）、閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるときには、現在の運転状態がドライアップ状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２５６）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。一方、複数のインピーダンスＺのうち閾値Ｚｔｈｒを超えるものがないときには、現在の運転状態が燃料ガス不足状態であることをＲＡＭ６４に記憶し（ステップＳ２５８）、フラグＦをリセットしたあと（ステップＳ２２６）、このルーチンを終了する。また、ステップＳ２５２で電圧Ｖのうち閾値Ｖｔｈｒより落ち込むものがないときには、前出のステップＳ２２０以下の処理を行う。この図９の運転状態判定処理ルーチンを実行した場合も、上述した実施形態と同様の効果が得られる。この図９のルーチンは、電圧Ｖが不適正電圧範囲に入り且つ閾値Ｖｔｈｒより落ち込むときには運転状態が燃料ガス不足状態又はドライアップ状態であると判定し、電圧Ｖが不適正電圧範囲に入り且つ閾値Ｖｔｈｒを上回るときには運転状態が酸化ガス不足状態又はフラッディング状態であると判定していると見ることもできる。
【００５４】
また、上述した実施形態では、各単電池３１の電圧Ｖを測定し各電圧Ｖと閾値Ｖｔｈｒとを比較したが、複数積層された単電池３１の中から選ばれた１以上の単電池３１の電圧を測定しその電圧と閾値とを比較してもよいし、幾つかの単電池３１をまとめた単電池モジュールの電圧を測定しその電圧と閾値とを比較してもよいし、燃料電池全体の電圧を測定しその電圧と閾値とを比較してもよい。
【００５５】
更に、上述した実施形態では、燃料電池全体のインピーダンスＺを測定しそのインピーダンスＺと閾値Ｚｔｈｒとを比較したが、各単電池３１のインピーダンスを測定しそのインピーダンスと閾値とを比較してもよいし、複数積層された単電池３１の中から選ばれた１以上の単電池３１のインピーダンスを測定しそのインピーダンスと閾値とを比較してもよいし、幾つかの単電池３１をまとめた単電池モジュールのインピーダンスを測定しそのインピーダンスと閾値とを比較してもよい。
【００５６】
更にまた、上述した燃料電池システム２０は、燃料電池車に適用してもよいし、コジェネレーションシステムに適用してもよいし、その他どのような用途に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 燃料電池３０を構成する単電池３１の断面図である。
【図３】 ドライアップ状態での時間に対する電圧Ｖのグラフである。
【図４】 フラッディング状態での時間に対する電圧Ｖのグラフである。
【図５】 燃料ガス不足状態での時間に対する電圧Ｖのグラフである。
【図６】 酸化ガス不足状態での時間に対する電圧Ｖのグラフである。
【図７】 データ取得処理ルーチンのフローチャートである。
【図８】 運転状態判定処理ルーチンのフローチャートである。
【図９】 他の運転状態判定処理ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
２０ 燃料電池システム、２２ 燃料ガス供給装置、２３ 燃料ガス加湿器、２４ 酸化ガス供給装置、２５ 酸化ガス加湿器、２６ 水タンク、２７，２８圧力調節バルブ、３０ 燃料電池、３１単電池、３２ 電解質膜、３３ アノード、３４ カソード、３５ セパレータ、３６，３７ 流路、４０ 電圧計、４２電流計、４４ 燃料電池温度センサ、４６ 圧力センサ、４８ インピーダンス検出器、５０ 冷却装置、５２ 冷却水管路、５４ 冷却水用ポンプ、５６ 熱交換器、５８ 冷却水温度センサ、６０ 電子制御ユニット、６２ ＣＰＵ、６４ ＲＯＭ、６６ ＲＡＭ。
Claims (8)
- 燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定装置であって、
少なくとも一つの前記単電池又は前記単電池を積層した単電池積層体のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
少なくとも一つの前記単電池又は前記単電池を積層した単電池積層体の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記インピーダンス測定手段及び前記電圧測定手段によって測定されたインピーダンス及び電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定する運転状態判定手段と
を備え、
前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが適正インピーダンスであり前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧よりも落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定する、
燃料電池の運転状態判定装置。 - 前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入ると判定されてから所定の判定所要時間が経過するまでの期間に前記インピーダンス測定手段及び前記電圧測定手段によって複数回測定されたインピーダンス及び電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定する
請求項１に記載の燃料電池の運転状態判定装置。 - 前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが予め定められた適正インピーダンスでないときには、ドライアップ状態であると判定する
請求項１又は２に記載の燃料電池の運転状態判定装置。 - 前記運転状態判定手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが前記適正インピーダンスのときには、前記電圧測定手段によって測定された電圧に基づいて運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態及びフラッディング状態のいずれであるかを判定する
請求項３に記載の燃料電池の運転状態判定装置。 - 前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがシャープなときには、運転状態がフラッディング状態であると判定する
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池の運転状態判定装置。 - 前記運転状態判定手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧を上回りしかも時間に対する電圧のピークがブロードなときには、運転状態が酸化ガス不足状態であると判定する
請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池の運転状態判定装置。 - 前記所定電圧は０［Ｖ］以下の値に設定されている
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池の運転状態判定装置。 - 燃料ガスが供給されるアノードと酸化ガスが供給されるカソードとで湿潤状態の固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定方法であって、
少なくとも一つの単電池又は単電池を積層した単電池積層体のインピーダンス及び少なくとも一つの単電池又は単電池を積層した単電池積層体の電圧に基づいて、運転状態が燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態、フラッディング状態及びドライアップ状態のいずれであるかを判定するステップ
を含み
前記ステップでは、前記インピーダンスが適正インピーダンスであり前記電圧が予め酸化ガス不足状態及びフラッディング状態では取り得ない低い値に定められた所定電圧よりも落ち込むときには、運転状態が燃料ガス不足状態であると判定する、
燃料電池の運転状態判定方法。
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