JP5205986B2

JP5205986B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5205986B2
Application number: JP2008012485A
Authority: JP
Inventors: 伸之北村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: JP2009176506A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する。燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応は、触媒を担持した燃料電池セルで行われる。燃料ガスと酸化ガスとが反応すると、水が生成される。燃料電池セルに生成水が付着するとガスの反応に影響を及ぼすため、安定した発電を行うためには生成水の状態を把握し、適切な水管理を行う必要がある。

燃料電池の含水量を測定する技術として、陽極と陰極との間のインピーダンスを検出し、マップや特性式から含水量を算定する技術が知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。また、燃料電池のインピーダンスを測定する技術として、反応ガスの流路内に設けたモニターセルの抵抗を検出し、燃料電池本体のインピーダンスを推定する技術（例えば、特許文献４を参照）や、燃料電池の陽極と陰極との間に交流の電気信号を印加し、電圧および電流の変化からインピーダンスを推定する技術（例えば、特許文献５を参照）が知られている。
特開２００７−１７９８３３号公報特開２００７−１５７４１４号公報特開２００７−１４９５７２号公報特開昭６２−３１９５７号公報特表２００１−５１９０８１号公報

燃料電池セルを積層した燃料電池スタックは、セル間に隙間が生ずるのを防ぐため、両端のセルが挟持されるように構成される。ところで、積層された燃料電池セルは、含水量や温度の変化によって積層方向に伸縮する。よって、例えば、このような積層方向の伸縮を拘束する定寸締結構造を採用して挟持部材の簡素化を図る場合、燃料電池スタックの小型化が図れる反面、含水量や温度の変化によって各セルに加わる挟持力が大きく変化しやすい。セルの積層体に加わる力が変化すると、構造部材間に作用する力が変化するため、スタック全体の導電率が変化する。燃料電池スタックの電気的な特性が安定しない場合、水管理に必要な含水量をセルの電気的特性から算定することが著しく困難になる。本発明は、係る問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の含水量の推定精度を向上可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、燃料電池セルに加わる力に応じて変化する燃料電池スタックの導電率の変化量を加味して含水量を推定することにした。

詳細には、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、膜電極接合体を有する燃料電池セルを複数重ねた積層部と、該積層部の積層方向における両端を挟持する挟持部と、を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのインピーダンスを検知する第一の検知手段と、前記インピーダンスを変化させる前記燃料電池スタックの導電率の変化量であって、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力の変化に起因する該燃料電池スタックの導電率変化量を検知する第二の検知手段と、前記第一の検知
手段が検知した前記インピーダンスと前記第二の検知手段が検知した前記導電率変化量とに基づいて含水量を推定する推定手段と、を備える。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する膜電極接合体を有する燃料電池セルを複数重ねた燃料電池スタックを用いることを前提としている。また、この燃料電池スタックは、燃料電池セルの積層体を積層方向における両端を挟持することで燃料電池セル同士を締結したものであることを前提とする。

燃料電池セルといった導電性部材を組み合わせることで構成される燃料電池スタックは、含水量変化以外の要因で変動する構成部材の導電率の成分を有する。ここで、燃料電池セルが積層方向における両端が挟持されることで締結されている場合、燃料電池スタックの導電率は、部材同士の締結力の変化に応じてその値が変化し得る。特に、セルに加わる締結力を略一定に保つ手段の無い燃料電池スタックのような場合、セルの温度変化や含水量の変化に起因する積層体の体格変動により、締結力の変化が特に著しい。なお、本願において含水量とは、膜電極接合体の電解質膜に含まれる水の物理量（絶対量）を示すものであってもよいし、電解質膜に含まれる水の量が燃料電池スタックの発電に支障を与えるか否かを示すものであってもよい。

燃料電池スタックのインピーダンスを計測することでスタック内の含水量を検知する場合、スタックのインピーダンスは上記導電率の変化に起因して大きく変動するため、第一の検知手段が検知する燃料電池スタックのインピーダンスには、スタック内の水量の変化に起因する変化量の他、導電率の変化に起因する変化量も混在した状態になる。ここで、挟持力の変化に起因するスタックの導電率の変化は単純な直流抵抗成分であるため、インピーダンス計測によっても導電率の変化と含水量変化に伴う電解質膜抵抗等の変化とを区別することが困難である。そこで、本発明に係る燃料電池システムは、第一の検知手段が検知するインピーダンスの変化量から導電率の変化に起因する成分を特定するため、挟持力の変化に起因する燃料電池スタックの導電率変化量を検知する第二の検知手段を備える。挟持力の変化に起因する導電率変化量を特定することにより、このような変動成分を加味した含水量の推定が可能になる。よって、燃料電池スタックの推定含水量の精度を高めることが可能になる。なお、本願において燃料電池スタックのインピーダンスとは、燃料電池スタックの電気的な内部抵抗を示すパラメータであり、例えば、膜電極接合体に含まれる含水量の変動に応じて変化するパラメータである。また、挟持力の変化に起因する燃料電池スタックの導電率変化量とは、積層体に加えられる挟持力の変化によって生ずる燃料電池スタックの電気的な内部抵抗の変化量を示すパラメータであり、且つ膜電極接合体に含まれる含水量が変動してもその影響を受けないように検知される燃料電池スタックの電気的な内部抵抗の変化量のパラメータである。

また、前記推定手段は、前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスを前記第二の検知手段が検知した前記導電率変化量で補正し、補正した該インピーダンスに基づいて前記含水量を推定するようにしてもよい。これにより、挟持力の変化に起因する変動成分が除去された燃料電池スタックの推定含水量を取得することが可能になる。

また、前記積層部は、前記電気化学反応を起こさない模擬燃料電池セルを有し、前記第二の検知手段は、前記模擬燃料電池セルの導電率の変化量を検知することにより、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力の変化に起因する前記燃料電池スタックの前記導電率変化量を検知するようにしてもよい。

燃料電池スタックのインピーダンスから導電率の変化に起因する変動成分を除去してやるためには、含水量の変化に起因する変動成分が除かれたパラメータを知得し、除算処理してやればよい。そこで、水が含まれず、挟持力の変化に起因する導電率の変化のみを取
得可能な模擬燃料電池セルを配置し、この導電率の変化を計測する。これにより、挟持力の変化に起因する変動因子の量を特定し、第一の検知手段が検知したインピーダンスからこの量を除くことが可能になる。

また、前記燃料電池スタックの温度変化量を検知する第三の検知手段を更に備え、前記推定手段は、前記第三の検知手段が検知した前記温度変化量に基づいて前記第二の検知手段が検知した前記導電率変化量を補正し、補正した該導電率変化量に基づいて前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスを補正し、補正した該インピーダンスに基づいて前記含水量を推定するようにしてもよい。

燃料電池スタックの導電率は、温度変化に伴うスタック構成部材の電気的特性の変化によっても変動し得る。ここで、第二の検知手段が検知する導電率変化量がこのような温度変化を加味していない場合、生成水量の推定結果に誤差を与えうる。そこで、燃料電池スタックの温度変化量を検知して第二の検知手段の検知結果を補正してやることにより、含水量の推定結果の精度を高めることが可能になる。

また、前記第二の検知手段が検知する前記導電率変化量は、前記積層部を構成する複数の導電性部材間の接触抵抗の変化に起因する物理量であってもよい。挟持部が積層部に加える挟持力の変化に起因するスタックの導電率変化量の因子として、スタックを構成する導電性部材間に生ずる導電率の変化が挙げられる。接触抵抗は構成部材の表面の粗さ等に起因するため、挟持力の変化によって部材間の密着度合いが大きく変化し、抵抗値が大きく変動するためである。そこで、第二の検知手段が検知する物理量として、このような接触抵抗に着目し、接触抵抗の変化を検知する。これにより、第一の検知手段が検知するインピーダンスに含まれる、含水量変化以外の変動因子を取り除き、含水量の推定結果の精度を高めることが可能になる。

また、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、膜電極接合体を有する燃料電池セルを複数重ねた積層部と、該積層部の積層方向における両端を挟持する挟持部と、を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのインピーダンスを検知する第一の検知手段と、前記インピーダンスを変化させる前記燃料電池スタックの導電率の変化量であって、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力の変化に起因する該燃料電池スタックの導電率変化量を検知する第二の検知手段と、を備え、前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスと前記第二の検知手段が検知した前記導電率変化量とに基づいて膜の含水量を調整する制御を行うものであってもよい。すなわち、膜電極接合体の含水量の状態を特定することなく膜の含水量を調整する。

ここで、含水量の調整とは、膜電極接合体の含水量を増減させる制御であり、例えば、燃料電池スタックへ供給するガスの加湿量の調整、燃料電池スタックを冷却する冷媒の温度や流量の調整等、膜電極接合体の含水量を変化させ得るあらゆる制御を含むものである。また、インピーダンスと導電率変化量とに基づく含水量の調整とは、インピーダンスと導電率変化量のパラメータの変化に応じて含水量を調整することであり、例えば、インピーダンスや導電率変化量が既定の所定値を超えた場合に含水量を増加させる処理を行ったり、インピーダンスや導電率変化量の変化に比例するように含水量の増減処理を行うことである。なお、ここで、所定値とは、含水量の調整を行うか否かを決定する際のインピーダンス及び導電率変化量の閾値であり、例えば、燃料電池スタックが発電を行う上で許容される値や電解質膜のドライアップ等を防ぐ観点で予め実験等から定められる値である。

なお、本発明は、上記何れかの機能を実行する方法の発明であってもよい。また、上記何れかの機能を燃料電池システムの制御手段に実行させるコンピュータプログラム、或いはこのようなプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であってもよい
。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の含水量の推定精度を向上させることが可能になる。

本発明に係る燃料電池システム１の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、車両の駆動源である駆動モータに対して電力を供給することを前提とするが、船舶やロボット等の移動体や地上に設置されたものに対しても適用が可能である。

＜構成＞
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の概略構成を示す図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、含水量検出装置２、及び燃料電池スタック３を備える。なお、図１は、燃料電池スタック３を電気等価回路図で示している。

含水量検出装置２は、インピーダンス計測装置４（本発明でいう、第一の検知部に相当する）、接触抵抗計測装置５（本発明でいう、第二の検知部に相当する）、及び含水量推定装置６（本発明でいう、推定部に相当する）を備える。

インピーダンス計測装置４は、燃料電池スタック３の含水量を計測する目的で設けられており、燃料電池スタック３のインピーダンスを計測することで含水量を検知する。インピーダンス計測装置４は、燃料電池スタック３の発電電力を出力する出力端子の陽極と陰極との間に交流の電気を印加する交流負荷装置７、電位差を計測する電圧計８、及び電流値を計測する電流計９にそれぞれ接続されている。インピーダンス計測装置４は、燃料電池スタック３のインピーダンスを計測する際、交流負荷装置７を制御して燃料電池スタック３のインピーダンスを計測するために必要な交流電気を生成し、生成した交流電気を燃料電池スタック３に印加すると共に、電圧計８および電流計９で燃料電池スタック３の電圧および電流を計測する。そして、インピーダンス計測装置４は、燃料電池スタック３に交流電気を印加した際の燃料電池スタック３の電圧および電流の関係から、燃料電池スタック３のインピーダンスを特定する。

接触抵抗計測装置５は、燃料電池スタック３の模擬燃料電池セルに計測電流を通電して得られる接触抵抗検出モジュール１２の抵抗値（接触抵抗）を計測する。すなわち、接触抵抗計測装置５は、模擬燃料電池セルの抵抗値を計測し、計測した値に所定の係数を乗算することで燃料電池スタック３を構成する燃料電池セル全体の接触抵抗を推定する。係数の乗算処理は、具体的には、模擬燃料電池セルの抵抗値を、燃料電池セル１０の枚数を模擬燃料電池セルの枚数で除した値で乗算する。また、模擬燃料電池セルの抵抗値を、模擬燃料電池セルの面積を燃料電池セル１０の面積で除した値で乗算する。計測した模擬燃料電池セルの抵抗値をこのように演算処理することにより、燃料電池スタック３内部の接触抵抗（すなわち、スタックを構成する燃料電池セル同士の接触抵抗の総計）を取得することが可能になる。

含水量推定装置６は、インピーダンス計測装置４や接触抵抗計測装置５から得られるパラメータに基づいて燃料電池スタック３の含水量を推定する。含水量推定装置６は、含水量の推定結果を図示しない制御手段に通知する。通知される含水量の推定結果は、燃料電池システム１を構成する各機器の制御パラメータとして活用される。

図２は、燃料電池スタック３の構成図である。燃料電池スタック３は、燃料電池自動車
等の移動媒体に適する高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、複数の燃料電池セル１０を積層した積層体１１と、積層体１１の積層方向における両端を挟持するためのスタック締結ケース１３を備える。なお、燃料電池スタック３は、積層体１１とスタック締結ケース１３との間を電気的に絶縁する絶縁スペーサ１４を備えている。

燃料電池セル１０は、高分子電解質膜をアノード触媒電極とカソード触媒電極とで挟持するように接合した膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える。また、燃料電池セル１０は、膜電極接合体を挟持するように配置される導電性のガス拡散層膜やセパレータを備える。高分子電解質膜は、ポリフルオロカーボンなどの固体の高分子を主鎖とし、電荷を運ぶためにスルホン基やカルボン酸基などの側鎖を付けたイオン交換能を有する導電性の物質で構成される。また、触媒電極は、白金（Ｐｔ）を担持したカーボンブラック等で構成される。膜電極接合体は、ガス拡散層に燃料ガスおよび酸化ガスが通気されることで電気化学反応を起こし、両電極間に電位差を発生させる。

なお、燃料電池スタック３は、燃料ガスである水素と酸化ガスである酸素の供給を受けて発電する燃料電池セル１０の他、燃料電池スタック３の導電率を計測するための接触抵抗検出モジュール１２（本発明でいう、模擬燃料電池セルに相当する）を備えている。接触抵抗検出モジュール１２は、燃料電池セル１０と同様の部材で構成されているが、燃料ガスおよび酸化ガスが供給されないように構成されており、燃料電池セル１０が発電中でも電気化学反応を起こさないように構成されている。この接触抵抗検出モジュール１２は、発電を行う燃料電池セル１０の積層体１１に隣接して配置されており、スタック締結ケース１３と積層体１１との間に挟まれるように配置されている。接触抵抗検出モジュール１２は、スタック締結ケース１３と燃料電池セル１０との間に絶縁スペーサ１４が配置され、電気的に絶縁されている。

ここで、燃料電池セル１０を積層した積層体の積層方向における両端を一定荷重で押圧している場合、燃料電池スタック３を構成する触媒電極、電解質膜、ガス拡散層膜、及びセパレータ間に発生する接触抵抗はほぼ一定である。しかし、このような導電性部材間に作用する接触抵抗は、各導電性部材の表面の粗さ等に起因して発生するものであるため、相互間に作用する接触力が変化すると、その抵抗値も変化する。特に、本実施形態に係る燃料電池スタック３のように、燃料電池セルの積層体の両端とスタック締結ケース１３との間にスプリング等のような、構成部材間の変位を吸収する部材が配設されていない場合、燃料電池セル１０が発電を行うことにより生ずる熱や水の生成による積層体の膨張収縮により、スタック締結ケース１３から燃料電池セル１０に加わる締結力が大きく変化する。締結力の変化によって燃料電池スタック３を構成する導電性部材間の接触抵抗が大きく変動する場合、燃料電池スタック３のインピーダンスが大きく変化する。インピーダンスは、抵抗成分（レジスタンス）と誘導成分（リアクタンス）と容量成分（キャパシタンス）の３要素によって決定される値であるため、燃料電池スタック３を構成する部材の接触抵抗が変化すると、インピーダンス計測装置４によって計測される燃料電池スタック３のインピーダンスが大きく変動する。よって、燃料電池スタック３の含水量を計測する目的で設けられているインピーダンス計測装置４の計測値に、燃料電池スタック３の接触抵抗の変化に起因するインピーダンス変化が混ざると、含水量の変化によるインピーダンス変化と接触抵抗の変化によるインピーダンス変化は、互いに直流成分の変化量であるため、これらを区別することができない。接触抵抗計測装置５は、インピーダンス変化のうち、このような接触抵抗の変化量を分離するために設けられている。

＜含水量の推定＞
次に、燃料電池スタック３のインピーダンスと含水量との相関関係を特定する。すなわち、燃料電池スタック３に燃料ガスおよび酸化ガスを供給して発電を行わせ、電気化学反応に伴う生成水等を発生させる。燃料電池スタック３内に生成された水の水量は、発電電
力量、供給ガスの加湿量、あるいはスタックの重量等により計測する。燃料ガスおよび酸化ガスの供給量を調整して燃料電池スタック３内の生成水量を変化させ、生成水量とインピーダンスとの関係を調べる。燃料電池スタック３のインピーダンスは、インピーダンス計測装置４によって計測されるパラメータであり、交流負荷装置７で燃料電池スタック３に高い周波数の交流電力（電圧印加による反応抵抗成分を分離するため、例えば、数百Ｈｚ以上とする）を印加した際の燃料電池スタック３の電圧と電流の関係から特定される。図３は、燃料電池スタック３の含水量を変化させて特定した含水量とインピーダンスとの関係を示すマップである。図３に示すように、含水量が多い場合は燃料電池スタック３を構成する導電性部材を電子が通過しやすくなるため抵抗成分（レジスタンス）が減少し、インピーダンスが減少する。他方、含水量が少ない場合は燃料電池スタック３を構成する導電性部材を電子が通過しにくくなるため抵抗成分が増大し、インピーダンスが増加する。なお、このときの燃料電池スタック３の構成部材間の接触抵抗を標準状態とする。

次に、接触抵抗に応じて推定含水量を補正する処理の内容について説明する。図４は、接触抵抗の実測値に応じてインピーダンスを補正する場合の、含水量とインピーダンスとの関係を示すマップである。接触抵抗検出モジュール１２を用いて接触抵抗計測装置５で計測される燃料電池スタック３の接触抵抗が、上述の標準状態における接触抵抗よりも低い場合、インピーダンス計測装置４で計測された燃料電池スタック３の計測値は接触抵抗が低下した分だけ低い値が計測される。よって、この計測値を基に図３のマップから含水量を推定すると、推定含水量が実際の含水量よりも多くなってしまう。そこで、図４に示すように、接触抵抗計測装置５で計測される燃料電池スタック３の接触抵抗が上述の標準状態における接触抵抗よりも低い場合、インピーダンス計測装置４で計測された燃料電池スタック３の計測値からこの分の接触抵抗を上乗せして補正する。これにより、推定含水量と実際の含水量との差を小さくすることができる。

図５は、生成水を含んだ状態の燃料電池スタック３の構成図である。燃料電池セル１０に水が生成されると積層体１１が膨張するため、図５に示すように積層体の積層方向における両端がスタック締結ケースで挟持されるように固定されていると、燃料電池セル１０に加わる挟持力が変化する。このため、燃料電池セル１０を構成する触媒電極やセパレータ、ガス拡散層膜や電解質膜といった導電性部材間の接触抵抗が変化する。図６は、補正前後のインピーダンスおよび含水量の相関関係を示すグラフである。インピーダンス及び含水量の相関関係は、接触抵抗の変化を補正しない場合には破線で示すようなグラフになる。また、補正した場合には実線で示すようなグラフになる。図６に示すように、含水量が少ない場合、換言すると、燃料電池セル１０に加わる挟持力が小さい場合、接触抵抗は標準状態に近いため、補正量が小さくなる。一方、含水量が多い場合、換言すると、燃料電池セル１０に加わる挟持力が大きい場合、接触抵抗は標準状態よりも遥かに小さくなるため、補正量が大きくなる。

＜効果＞
燃料電池スタックの小型化等を図る目的で採用される定寸締結構造の燃料電池スタックを採用した燃料電池システムにおいて、燃料電池セルに加わる外力の変化等に起因する燃料電池スタックのインピーダンスの変化を取り除き、生成水の推定精度を高めることが可能になる。そして、推定精度が高められたパラメータを用いて燃料電池システムを構成する図示しない各機器類を制御することにより、膜電極接合体の含水量を調整する制御を適切に行うことが可能になる。例えば、含水量が少ないと推定されれば含水量を増加させるため、冷却装置を制御して燃料電池スタックの冷却温度を下げたり、加湿器における加湿量を増やしたりすることにより、電解質膜のドライアップ等を防ぐ。なお、膜電極接合体の含水量調整は、推定される含水量が所定の閾値を満たすか否かで実行するようにしてもよいし、推定される含水量の変動に比例してシステムの制御パラメータを無段階に調整してもよい。

＜変形例１＞
以下、上記実施形態の変形例について説明する。上述した実施形態では、燃料電池セル１０に加わる挟持力の変化に起因する接触抵抗の変化を接触抵抗検出モジュール１２で検知し、インピーダンスの補正を行っていた。ところで、導電性部材間に発生する接触抵抗は、接触面の表面の粗さ等に起因する抵抗であるため、温度変化によって材料の硬度等が変化し、材料間に発生する接触抵抗が変化する。ここで、上記実施形態の接触抵抗検出モジュール１２は、電気化学反応を生じないことは上述した通りである。よって、電気化学反応を生じない接触抵抗検出モジュール１２は、実際に電気化学反応を起こしている燃料電池セル１０に比べ、反応熱が生じない分だけ温度が低くなる。換言すると、接触抵抗検出モジュール１２が検知する接触抵抗の変化量は、燃料電池セル１０の接触抵抗の変化量に比べて温度変化に起因する物理量が加味されていないと言える。そこで、本変形例は、温度変化に起因する接触抵抗の変化量も加味したインピーダンス補正を行うことで推定値の精度を高める。

具体的には、燃料電池セル１０に温度センサを設ける。図７は、本変形例に係る燃料電池スタック３’の構成図である。図７に示すように、本変形例に係る燃料電池スタック３’は、燃料電池セル１０に温度検出モジュール１５が配設されている。この温度検出モジュール１５は、温度変化に対する電気抵抗の変化が大きい、いわゆるサーミスタであり、燃料電池セル１０の温度変化を検知する。なお、説明の便宜上、上述した実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図８は、本変形例に係る燃料電池システム１’の概略構成を示す図である。図８に示すように、燃料電池システム１’は、上述の実施形態と同様、含水量検出装置２’、及び燃料電池スタック３’を備える。燃料電池スタック３’については、温度検出モジュール１５が配設されている点を除き、上述した実施形態に係る燃料電池スタック３と同じであるため、その説明を省略する。

本変形例に係る含水量検出装置２’と上述した実施形態に係る含水量検出装置２とは、インピーダンスの補正に用いる接触抵抗の検知回路に差異点がある。すなわち、上述した実施形態では、計測した模擬燃料電池セル１０の接触抵抗のみをインピーダンスの補正パラメータに用いていたが、本変形例では、燃料電池セル１０の温度もインピーダンスの補正パラメータに用いる。具体的には、含水量検出装置２’は、接触抵抗計測装置５に代わり、温度計測装置１６、締結圧計測装置１７、及び接触抵抗マップ部１８を備える。

締結圧計測装置１７は、接触抵抗検出モジュール１２に計測電流を通電して得られる接触抵抗検出モジュール１２の抵抗値を締結圧の値として計測する。そして、計測値を接触抵抗マップ部１８に通知する。また、温度計測装置１６は、温度検出モジュール１５の抵抗値の変化を計測して得られる燃料電池セル１０の温度を計測する。そして、計測値を接触抵抗マップ部１８に通知する。接触抵抗マップ部１８は、締結圧計測装置１７から通知される締結力と温度計測装置１６から通知される温度に基づいて燃料電池スタック３の接触抵抗を計測する。図９は、接触抵抗マップ部１８が保持している締結圧と接触抵抗との関係を示すマップである。図９が示すように、接触抵抗マップ部１８は、締結圧と接触抵抗との対応関係を示すマップを温度別に保持しており、締結圧計測装置１７及び温度計測装置１６から通知される締結圧および温度のパラメータから、燃料電池スタック３の接触抵抗を取得する。なお、図９のマップの縦軸は、単位面積あたりの接触抵抗を示しているが、上述した実施形態に係る接触抵抗計測装置５と同様、セルの面積や積層枚数に応じて適宜係数を乗算する。含水量推定装置６には、上述した実施形態の場合と異なり、接触抵抗マップ部１８によって取得された燃料電池スタック３の接触抵抗でインピーダンスを補正した値を基に、燃料電池スタック３の含水量を推定する。

図１０は、生成水を含んだ状態の燃料電池スタック３’の構成図である。燃料電池セル１０’に水が生成されると燃料電池セル１０’の積層体が膨張し、セルに加わる挟持力が変化する。また、燃料電池セル１０’で起こる電気化学反応によって燃料電池セル１０’の温度が上昇する。これにより、燃料電池スタック３’を構成する導電性部材間の接触抵抗が変化する。図１１は、含水量推定装置６が保持している含水量と抵抗値との関係を示すマップである。含水量推定装置６は、接触抵抗マップ部１８から通知される接触抵抗と図１１に示すマップとに基づいて燃料電池スタック３の含水量を推定する。これにより、燃料電池セルに加わる外力の変化及びセルの温度変化等に起因する燃料電池スタックのインピーダンスの変化を取り除き、生成水の推定精度を高めることが可能になる。

＜変形例２＞
また、上記実施形態や変形例では、インピーダンス計測装置４が計測したインピーダンスを、接触抵抗計測装置５が計測したパラメータに基づいて補正し、補正されたインピーダンスに基づいて含水量を推定していた。しかし、上記実施形態や変形例は、補正されていないインピーダンスと接触抵抗とに基づいて膜電極接合体の含水量の状態を推定するようにしてもよい。すなわち、インピーダンス計測装置４と接触抵抗計測装置５とを含水量推定装置６にそれぞれ直接接続する。また、含水量推定装置６は、図１２に示すようなインピーダンスと抵抗値との関係から含水量の状態を特定するマップを予め記憶、あるいは記憶媒体から参照可能なようにしておく。そして、含水量推定装置６は、インピーダンス計測装置４及び抵抗計測装置５から通知されるパラメータを基に、膜電極接合体の含水量の状態を推定する。

なお、図１２に示すマップは、次に示すような考え方に基づいて含水量の状態が定義されている。すなわち、インピーダンス計測装置４から通知されるインピーダンスが大きくなる場合、通常はこれに比例して含水量が少なくなっていると推定し得るが、抵抗計測装置５から通知される接触抵抗も大きくなっている場合、実際の含水量の低下量は小さい。そこで、図１２に示すマップは、インピーダンスが大きいほど含水量が少ないと判断しつつ、接触抵抗が大きいほど含水量が多いと判断するように定義している。

本変形例によれば、インピーダンスの補正処理を行うことなく膜電極接合体の含水量の状態を推定することが可能になる。なお、図１２に示すマップは、インピーダンスと接触抵抗との関係から含水量の状態が特定されるように定義されているが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば、図１２のマップが定義する条件を数式化したもので含水量の状態判定を行うようにしてもよい。

燃料電池システムの概略構成図。燃料電池スタックの構成図。含水量とインピーダンスとの関係を示すマップ。含水量とインピーダンスとの関係を示すマップ。燃料電池スタックの構成図。インピーダンスおよび含水量の相関関係を示すグラフ。変形例に係る燃料電池スタックの構成図。変形例に係る燃料電池システムの概略構成図。締結圧と接触抵抗との関係を示すマップ。燃料電池スタックの構成図。含水量と抵抗値との関係を示すマップ。インピーダンスと抵抗値との関係から含水量の状態を特定するマップ。

符号の説明

１・・・燃料電池システム
２・・・含水量検出装置
３・・・燃料電池スタック
４・・・インピーダンス計測装置
５・・・接触抵抗計測装置
６・・・含水量推定装置

Claims

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、
膜電極接合体を有する燃料電池セルを複数重ねた積層部と、該積層部の積層方向における両端を挟持する挟持部と、を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのインピーダンスを検知する第一の検知手段と、
前記インピーダンスを変化させる前記燃料電池スタックの導電率であって、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力に起因する該燃料電池スタックの導電率を検知する第二の検知手段と、
前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスと前記第二の検知手段が検知した前記導電率とに基づいて含水量を推定する推定手段と、を備える、
燃料電池システム。
前記推定手段は、前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスを前記第二の検知手段が検知した前記導電率で補正し、補正した該インピーダンスに基づいて前記含水量を推定する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記積層部は、前記電気化学反応を起こさない模擬燃料電池セルを有し、
前記第二の検知手段は、前記模擬燃料電池セルの導電率を検知することにより、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力に起因する前記燃料電池スタックの前記導電率を検知する、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックの温度変化量を検知する第三の検知手段を更に備え、
前記推定手段は、前記第三の検知手段が検知した前記温度変化量に基づいて前記第二の検知手段が検知した前記導電率を補正し、補正した該導電率に基づいて前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスを補正し、補正した該インピーダンスに基づいて前記含水量を推定する、
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
前記第二の検知手段が検知する前記導電率は、前記積層部を構成する複数の導電性部材
間の接触抵抗に起因する物理量である、
請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、
膜電極接合体を有する燃料電池セルを複数重ねた積層部と、該積層部の積層方向における両端を挟持する挟持部と、を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのインピーダンスを検知する第一の検知手段と、
前記インピーダンスを変化させる前記燃料電池スタックの導電率であって、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力に起因する該燃料電池スタックの導電率を検知する第二の検知手段と、を備え、
前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスと前記第二の検知手段が検知した前記導電率とに基づいて膜の含水量を調整する制御を行う、
燃料電池システム。