特許 6875207 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6875207

(24)【登録日】2021年4月26日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20210510BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 H

   H01M8/04 J

【請求項の数】1

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-119352(P2017-119352)

(22)【出願日】2017年6月19日

(65)【公開番号】特開2019-3885(P2019-3885A)

(43)【公開日】2019年1月10日

【審査請求日】2020年4月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】特許業務法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】新美 洋介

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 茂樹

【審査官】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１４５６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２８１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０４５６４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１２５６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７１７８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料ガスを間欠的に供給するための燃料ガス供給部と、
前記燃料電池へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記燃料電池の低周波インピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、
前記燃料電池の発電動作を制御する制御部と、
を備え、
前記インピーダンス計測部は、
前記酸化ガスが供給されるとともに、前記燃料ガスが間欠的に供給されている状態において、前記低周波インピーダンスを順次計測して、あらかじめ定めた区間を移動平均の算出の単位として前記低周波インピーダンスの移動平均値を求めるとともに、前記移動平均値を求めた区間に含まれる前記低周波インピーダンスのうちの最大値を求め、
前記制御部は、
前記最大値と前記移動平均値との差分が予め設定された閾値よりも大きくなった場合には、前記燃料ガス供給部による前記燃料ガスの供給量を増加させる制御を行ない、前記差分が前記閾値未満の場合には、前記燃料ガス供給部が供給する前記燃料ガスの供給量を維持させる、
燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、低周波領域の周波数における燃料電池の交流インピーダンス（以下、「低周波インピーダンス」とも呼ぶ）、及び、高周波領域の周波数における燃料電池の交流インピーダンス（以下、「高周波インピーダンス」とも呼ぶ）の測定値から燃料電池の動作状態を判断する燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムでは、低周波数インピーダンスの測定値が閾値を超えた場合に燃料電池の電解質膜への燃料ガス（水素ガス）の供給状態が不良と判断している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７−１２４１９号公報

【特許文献2】特開２０１２−２５２９８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、燃料電池を構成するセルのアノードの面内において部分的に燃料としての水素が欠乏した部分水素欠の状態が発生すると、その欠乏した水素を補うために、カソードでプロトン（Ｈ^＋）が生成され、電解質を介してアノードに移動する。カソードにおけるプロトンの生成は、カソードの触媒を担持したカーボンによって水が電気分解されることによるため、カソードのカーボンが劣化するという問題がある。このため、部分水素欠を検知して部分水素欠を回避することが望ましい。部分水素欠の検知は、基本的には、低周波インピーダンスの測定値が閾値を超えたか否か判断することによって検知可能であると考えられる。

【0005】

しかしながら、インジェクタのような燃料供給弁の開閉を繰り返すことにより燃料電池への燃料ガスを間欠的に供給（以下、「間欠供給」とも呼ぶ）する構成の燃料電池システムでは、以下の問題がある。すなわち、燃料供給弁が閉じられて燃料供給弁からの燃料ガスの供給が停止する期間においては、低周波インピーダンスが上昇する傾向にある。このため、単純に、低周波インピーダンスが閾値を超えた場合に部分水素欠と判断し、部分水素欠を回避するための制御を行なうとすると、実際には部分水素欠の状態ではない場合においても部分水素欠を回避するための制御を行なってしまう可能性がある。なお、燃料ガス用のマニホールドが閉塞されることによりセルの全体で水素欠乏の状態が発生し、セルのアノードの触媒層の劣化を招く完全水素欠は、セルの電圧をモニタすることで検知できるが、部分水素欠はセルの電圧をモニタすることでは検知できない。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは；燃料電池と；前記燃料電池へ燃料ガスを間欠的に供給するための燃料ガス供給部と；前記燃料電池へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と；前記燃料電池の低周波インピーダンスを計測するインピーダンス計測部と；前記燃料電池の発電動作を制御する制御部と；を備える。前記インピーダンス計測部は、前記酸化ガスが供給されるとともに、前記燃料ガスが間欠的に供給されている状態において、前記低周波インピーダンスを順次計測して、あらかじめ定めた区間を移動平均の算出の単位として前記低周波インピーダンスの移動平均値を求めるとともに、前記移動平均値を求めた区間に含まれる前記低周波インピーダンスのうちの最大値を求める。前記制御部は、前記最大値と前記移動平均値との差分が予め設定された閾値よりも大きくなった場合には、前記燃料ガス供給部による前記燃料ガスの供給量を増加させる制御を行ない、前記差分が前記閾値未満の場合には、前記燃料ガス供給部が供給する前記燃料ガスの供給量を維持させる。
この形態の燃料電池システムによれば、低周波インピーダンスの最大値と移動平均値を比較することにより、燃料ガスの供給が停止する期間において、低周波インピーダンスが変動した場合であっても、燃料ガスの部分欠乏状態が発生しているか否かを切り分けることができ、燃料ガスの部分欠乏状態を回避する制御を不必要に行わないようにすることが可能である。

【0008】

本発明は、上述した燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法や燃料ガスの部分欠乏状態を検知する方法等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図2】制御部の水素欠判定部による水素欠判定処理の手順を示す説明図である。

【図3】計測される低周波インピーダンスの様子を模式的に示す説明図である。

【図4】低周波インピーダンスの計測値、最大値及び移動平均値の一例を示す説明図である。

【図5】図４に示した低周波インピーダンスの計測値に基づく水素欠判定結果を示す説明図である。

【図6】燃料ガスの供給時及び停止時における燃料電池の等価回路を示す説明図である。

【図7】第２実施形態の水素欠判定処理の手順を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

Ａ．第１実施形態：
図１は本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、水素供給排出機構５０と、空気供給排出機構３０と、冷却水循環機構７０と、制御部８０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、インピーダンス計測部９５と、を備える。燃料電池システム１０は、不図示のパワースイッチのＯＮ操作によって始動し、ＯＦＦ操作によって停止する。

【0011】

燃料電池２０は、エンドプレート２１と、絶縁板２２と、集電板２３と、複数のセル２４と、集電板２３と、絶縁板２２と、エンドプレート２１とが、この順に積層されたスタック構造を有する。

【0012】

水素供給排出機構５０は、制御部８０の制御に従って、燃料電池２０のアノードに燃料ガスとしての水素ガスの供給及び排出を行なう。水素供給排出機構５０は、水素タンク４０と、シャットバルブ４１と、水素供給流路５１と、レギュレータ５３と、インジェクタ５４と、循環流路５５と、気液分離部５６と、水素ポンプ５７と、排水シャットバルブ５８と、排出流路５９と、とを備える。

【0013】

水素タンク４０は、水素を貯蔵する。水素タンク４０には、数十ＭＰａを有する高圧の燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵されている。水素供給流路５１は、水素タンク４０と燃料電池２０とを接続する配管である。シャットバルブ４１は、水素タンク４０から水素供給流路５１への水素ガスの供給を遮断する弁であり、主止弁とも呼ばれる。シャットバルブ４１は、制御部８０によってその開閉が制御される。制御部８０の制御によってシャットバルブ４１が開かれると、水素タンク４０から水素供給流路５１を通じて燃料電池２０のアノードに水素ガスが供給され、シャットバルブ４１が閉じられると、水素ガスの供給が遮断される。

【0014】

レギュレータ５３は、制御部８０の制御により、水素タンク４０から供給される水素ガスの圧力を調整する。インジェクタ５４は、レギュレータ５３によって圧力が調整された水素ガスを、制御部８０の制御に従いアノードに向けて間欠的に噴射（供給）する。

【0015】

気液分離部５６は、アノードから排出された気体と液体とを分離する。水素ポンプ５７は、気液分離部５６によって分離された気体を、燃料電池２０に再度供給する。気液分離部５６によって分離された気体は、主に、消費されずに排出された水素と燃料電池が備える膜電極接合体を介してカソード側から透過した窒素と、飽和した水分（水蒸気）である。排出流路５９は、気液分離部５６と、空気供給排出機構３０に備えられる空気排出流路３９（後述）とを接続する配管である。排水シャットバルブ５８は、排出流路５９上に設けられている。排水シャットバルブ５８は、気液分離部５６によって分離された液体と窒素を排出するために開かれる。インジェクタ５４と排水シャットバルブ５８の制御部８０による制御によって、燃料電池２０への水素ガスの供給量が調整される。なお、水素供給排出機構５０が「燃料ガス供給部」に相当し、インジェクタ５４が「燃料供給弁」に相当する。

【0016】

空気供給排出機構３０は、制御部８０の制御に従って、燃料電池２０のカソードに酸化ガスとしての酸素を含む空気の供給及び排出をする。空気供給排出機構３０は、コンプレッサ３１と、空気供給流路３２と、分流弁３３と、調圧弁３６と、バイパス流路３８と、空気排出流路３９とを備える。

【0017】

空気供給流路３２は、燃料電池２０と空気供給流路３２の大気開放口を接続する配管である。空気排出流路３９は、燃料電池２０と空気排出流路３９の大気開放口とを接続する配管である。バイパス流路３８は、空気供給流路３２の燃料電池２０よりも上流側から分岐して、空気排出流路３９に接続される配管である。コンプレッサ３１は、空気供給流路３２の途中に設けられ、空気供給流路３２の大気開放口側から空気を吸入して圧縮する。コンプレッサ３１が設けられる位置は、空気供給流路３２とバイパス流路３８との接続部位よりも大気開放口に近い位置である。

【0018】

分流弁３３は、空気供給流路３２において、コンプレッサ３１の下流側、つまりコンプレッサ３１と燃料電池２０との間であって、空気供給流路３２とバイパス流路３８との接続部位に設けられる。分流弁３３は、コンプレッサ３１から流れてくる空気の流れる方向を燃料電池２０側とバイパス流路３８側とのいずれかに切り替える。このような分流弁３３は、三方弁とも呼ばれる。バイパス流路３８は、分流弁３３と空気排出流路３９とを接続する配管である。調圧弁３６は、空気排出流路３９において、空気排出流路３９とバイパス流路３８との接続部位よりも燃料電池２０側に設けられる。調圧弁３６は、開度に応じて空気排出流路３９の流路断面積を調整する。調圧弁３６を通過した空気は、バイパス流路３８との接続部位を通過した後、大気開放口から大気に排出される。コンプレッサ３１、分流弁３３、及び調圧弁３６の動作は、制御部８０からの制御に従って調整される。なお、空気供給排出機構３０が「酸化ガス供給部」に相当する。

【0019】

冷却水循環機構７０は、制御部８０の制御に従って燃料電池２０を冷却する。冷却水循環機構７０は、ラジエータ７１と、冷却水ポンプ７２と、冷却水排出流路７３と、冷却水供給流路７４と、を備える。

【0020】

冷却水供給流路７４は、ラジエータ７１と燃料電池２０との間を接続する流路であり、燃料電池２０に冷却水を供給するための配管である。冷却水排出流路７３は、燃料電池２０とラジエータ７１とを接続する流路であり、燃料電池２０から冷却水を排出するための配管である。冷却水ポンプ７２は、ラジエータ７１と燃料電池２０との間の冷却水供給流路７４に設けられており、冷却水ポンプ７２によって冷却水が循環される。ラジエータ７１及び冷却水ポンプ７２の動作は、制御部８０からの制御に従って調整される。

【0021】

制御部８０は、ＣＰＵとＲＡＭとＲＯＭとを備えるコンピュータとして構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部８０は、燃料電池システム１０の動作を制御するための信号を出力する。制御部８０は、発電要求を受けて、燃料電池システム１０の各部３０，５０，７０を制御して燃料電池２０を発電させる。また、制御部８０は、水素欠判定部８２として機能し、後述する水素欠判定を実行する。

【0022】

ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０から出力される電力を、制御部８０からの制御に応じて負荷に供給可能な電力（電圧及び電流）に変換して出力する電力制御回路である。例えば、燃料電池２０からの掃引電流を制御して、燃料電池２０の出力電圧を制御することにより発電動作を制御するとともに、負荷へ出力する電圧及び電流を制御する。

【0023】

インピーダンス計測部９５は、交流信号印加部９６及び計測実行部９７を備える。交流信号印加部９６及び計測実行部９７は、制御部８０の水素欠判定部８２からの指示に従って、以下で説明するように動作する。交流信号印加部９６は、燃料電池２０の正負両極端子に予め定めた低周波の交流信号（交流電圧あるいは交流電流）を印加する。本例では、交流電圧を印加するものとする。計測実行部９７は、電圧計９８によって計測される正負両極端子間の交流電圧及び電流計９９によって計測される正負両極端子間を流れる交流電流から、印加した交流信号の周波数における正負両極端子間の交流インピーダンス（以下、「低周波インピーダンス」とも呼ぶ）を順次計測し、低周波インピーダンスの移動平均値を算出するとともに、移動平均値を求めた区間に含まれる低周波インピーダンスのうちの最大値を求める。求めた低周波インピーダンスの移動平均値及び最大値は、制御部８０の水素欠判定部８２に送られて水素欠判定に用いられる。

【0024】

図２は、制御部８０の水素欠判定部８２による水素欠判定処理の手順を示す説明図である。水素欠判定部８２は、燃料電池２０の発電が開始されてから発電が終了するまで水素欠判定処理を継続する。水素欠判定部８２は、水素欠判定処理を開始すると、インピーダンス計測部９５によるインピーダンス計測を開始する（ステップＳ１０１）。この時、上述したように、インピーダンス計測部９５の交流信号印加部９６が、燃料電池２０の正負両極端子間に予め定めた低周波の周波数ｆｚ（以下、「低周波数ｆｚ」とも呼ぶ）を有する交流信号（例えば、交流電圧）を印加する。低周波数ｆｚは、アノード（水素極）及びカソード(酸素極）の反応抵抗が検出される低周波領域（０．１〜２００Ｈｚ程度の周波数の領域）において、水素欠乏状態の発生に応じて変化するアノード（水素極）の反応抵抗を効果的に検出できる周波数に設定されることが好ましい。本例では、ｆｚ＝２０Ｈｚとする。

【0025】

そして、インピーダンス計測部９５の計測実行部９７は、低周波数ｆｚにおける交流インピーダンス（低周波インピーダンス）を計測し（ステップＳ１０２）、計測した低周波インピーダンスの移動平均値（Ｚａｖｇ）を算出するとともに、移動平均値を算出する単位としての区間Ｔｍに含まれる低周波インピーダンスのうちの最大値（Ｚｍａｘ）を求める（ステップＳ１０３）。求めた移動平均値（Ｚａｖｇ）及び最大値（Ｚｍａｘ）は水素欠判定部８２へ送られる。なお、移動平均を求める単位としての区間Ｔｍは、移動平均値を算出可能な長さ、少なくとも、インジェクタ５４の開閉の１周期以上の長さに設定される。本例では、インジェクタ５４の開閉の周期は２００ｍｓ（開期間が１００ｍｓ，閉期間が１００ｍｓ）とされており、区間Ｔｍは２００ｍｓ以上に設定される。例えば、区間Ｔｍ＝２００ｍｓとした場合、ｆｚ＝２０Ｈｚの低周波インピーダンスは、１つの区間Ｔｍ（＝２００ｍｓ）において少なくとも４つ計測されるので、４つの計測値により平均値が算出される。

【0026】

水素欠判定部８２は、順に送られてくる低周波インピーダンスの最大値（Ｚｍａｘ）と移動平均値（Ｚａｖｇ）の差分（Ｚｄｉｆ＝［Ｚｍａｘ−Ｚａｖｇ］を算出し（ステップＳ１０４）、差分（Ｚｄｉｆ）を予め定めた閾値（Ｚｔｈ）と比較する（ステップＳ１０５）。閾値（Ｚｔｈ）は、燃料電池２０のセル２４の劣化量と水素欠乏状態でない場合の差分との関係から、あらかじめ、燃料電池２０のいずれかのセル２４において発生した部分的な水素欠乏（「部分水素欠」とも呼ぶ）の状態を切り分けるための境界値を求めることにより設定される。なお、この閾値（Ｚｔｈ）については後述する。

【0027】

水素欠判定部８２は、差分（Ｚｄｉｆ）≦閾値（Ｚｔｈ）の場合には、燃料電池２０の内部に水素欠乏状態は発生していないため、インピーダンス計測（ステップＳ１０２）からの処理を繰り返す。これに対して、差分（Ｚｄｉｆ）＞閾値（Ｚｔｈ）の場合には、燃料電池２０の内部で部分水素欠の状態が発生していると判定（水素欠判定）し（ステップＳ１０６）、制御部８０の水素供給排出機構５０の制御部（不図示）に燃料ガスの供給量（以下、「燃料供給量」とも呼ぶ）の増加を要求する（ステップＳ１０７）。これにより、水素供給排出機構５０による燃料供給量の増加が行われ、部分水素欠の状態が回避されるように制御される。そして、水素欠判定部８２は、処理の終了が指示されるまで（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、インピーダンス計測（ステップＳ１０２）からの処理を繰り返す。

【0028】

図３は、計測される低周波インピーダンスの様子を模式的に示す説明図である。上段は間欠的に開かれるインジェクタ５４（燃料供給弁）の様子を示し、中段は燃料電池２０へ供給される燃料ガス（水素ガス）の供給量（燃料供給量）の様子を示し、下段はｆｚ＝２０Ｈｚの低周波インピーダンスの様子を示している。

【0029】

インジェクタ５４の開閉の周期に合わせて燃料供給量は増減する。このため、インジェクタ５４が開いているときには、燃料電池２０は燃料リッチな状態になり、インジェクタ５４が閉じているときには、燃料電池２０は燃料ガスが消費されて燃料リーンな状態になる。この際、水素極反応抵抗を含む低周波インピーダンスは、燃料供給量が減少したとき、すなわち、インジェクタ５４が閉じているときに上昇し、燃料供給量が増加したとき、すなわち、インジェクタ５４が開いているときに減少する。そして、インジェクタ５４が閉じて燃料供給量が減少したときに、燃料電池２０の内部で燃料ガスの部分欠乏状態、すなわち、部分水素欠の状態が発生した場合には、低周波インピーダンスは、燃料供給量の減少による上昇に加えて、水素欠乏の度合いに応じて上昇する。従って、インジェクタ５４の開閉の周期に応じて周期的に変化する低周波インピーダンスの最大値（Ｚｍａｘ）の変化を検出すれば、インジェクタ５４が閉じているときに発生した部分水素欠の状態の判定が可能と考えられる。具体的には、低周波インピーダンスの最大値（Ｚｍａｘ）が、低周波インピーダンスの移動平均値（Ｚａｖｇ）と閾値（Ｚｔｈ）の加算値（Ｚａｖｇ＋Ｚｔｈ）を超えた場合に、部分水素欠の状態の発生の判定が可能と考えられる。すなわち、低周波インピーダンスの最大値（Ｚｍａｘ）と移動平均値（Ｚａｖｇ）の差分（Ｚｍａｘ−Ｚａｖｇ）が閾値（Ｚｔｈ）を超えた場合に、部分水素欠の状態の発生の判定が可能と考えられる。

【0030】

ここで、図３に示した燃料供給量のオフセットは、水素ポンプ５７（図１）によって循環供給される水素ガス量を示している。通常の発電時においては、気液分離部５６で分離された水分及び窒素が排水シャットバルブ５８を介して適宜排出されるとともに、この排出に合わせてインジェクタ５４から供給される水素ガス量が調整されるので、オフセットが維持された状態となる。但し、気液分離部５６で分離された水分及び窒素が排水シャットバルブ５８を介して排出されない状態で発電が行われる場合もある。この場合、図示は省略するが、循環供給される水素ガス分は発電によって徐々に消費され、最終的には、オフセットが無い状態となり、燃料電池２０への水素ガスの供給量はインジェクタ５４からの供給量のみに減少する。従って、この場合における燃料電池２０の発電は、水素濃度が低くなった低水素濃度の状態での発電となる。このような低水素濃度発電状態における水素ガスの供給量の変動の割合は、オフセットを有する通常発電時に比べて大きくなる。このため、インジェクタ５４の開閉による水素ガスの供給量の増減に応じた低周波インピーダンスの変化は、通常発電時における変化よりも大きくなる。

【0031】

図４は、低周波インピーダンスの計測値、最大値及び移動平均値の一例を示す説明図である。時間「０ｓｅｃ」は、低水素濃度発電開始時を示している。図４に示すように、低水素濃度発電の開始直後は、通常発電時と同様の低周波インピーダンスの状態であるが、水素濃度の低下に応じて低周波インピーダンスの変動は大きくなり、低周波インピーダンスの最大値（Ｚｍａｘ）も上昇する。しかしながら、低周波インピーダンスの移動平均値（Ｚａｖｇ）の上昇量は最大値（Ｚｍａｘ）の上昇量に比べて非常に小さく、移動平均値（Ｚａｖｇ）と最大値（Ｚｍａｘ）とを比較すれば、燃料供給量が多い通常発電時においても燃料供給量が少ない低水素濃度時においても、部分水素欠の状態の発生の判定が可能と分かる。

【0032】

従って、上述したように、低周波インピーダンスの最大値（Ｚｍａｘ）と移動平均値（Ｚａｖｇ）の差分（Ｚｍａｘ−Ｚａｖｇ）が閾値（Ｚｔｈ）を超えたか否かにより、部分水素欠の状態の発生の判定（水素欠判定）が可能である、と言える。

【0033】

図５は、図４に示した低周波インピーダンスの計測値に基づく水素欠判定結果を示す説明図である。上述したように、低周波インピーダンスの最大値（Ｚｍａｘ）と移動平均値（Ｚａｖｇ）の差分（Ｚｄｉｆ）と閾値（Ｚｔｈ）を比較すれば、図５に示したように、燃料電池２０内の一部の箇所において水素欠乏（部分水素欠）の状態が発生していることが判定可能であることが分かる。また、図示および説明は省略するが、通常発電時においても同様である。従って、低周波インピーダンスの最大値（Ｚｍａｘ）と移動平均値（Ｚａｖｇ）の差分（Ｚｄｉｆ）と閾値（Ｚｔｈ）を比較すれば、燃料供給量が多い通常発電時か燃料供給量が少ない低水素濃度時かに関係なく、燃料電池２０内の一部の箇所において水素欠乏（部分水素欠）の状態が発生していることが判定可能である。

【0034】

図６は、燃料ガスの供給時及び停止時における燃料電池の等価回路を示す説明図である。低周波領域の周波数における交流インピーダンス（低周波インピーダンス）は、酸素極（カソード）側の電気二重層を構成する酸素極反応抵抗（Ｚｏ）及び容量成分（Ｃｏ）と、電解質膜の膜抵抗（Ｒｏｈｍ）と、水素極(アノード）側の電気二重層を構成する水素極反応抵抗（Ｚｈ）及び容量成分（Ｃｈ）と、を含む。このため、低周波インピーダンスは、基本的には、燃料電池への燃料ガス（水素ガス）の供給の状態だけでなく、酸化ガス（酸素ガスを含む空気）の供給状態、電解質膜の湿潤状態によっても変動する。

【0035】

インジェクタ５４の開閉により燃料ガス（水素ガス）を間欠供給した場合には、燃料ガスの供給時と停止時とでは、空気供給量及び電解質膜の湿潤状態が一定であるとすると、水素極反応抵抗のみが変動する。燃料ガスの供給時の水素極反応抵抗Ｚｈに対して、燃料ガスの停止時の水素極反応抵抗は、燃料ガスの減少量に応じて変動量（Ｚα）だけ大きくなる。このため、燃料ガスの供給時の低周波インピーダンスの平均値（Ｚｏｎａｖｇ）と停止時の低周波インピーダンスの最大値（Ｚｍａｘ＝Ｚｈ＋Ｚα）の差分をとることで、燃料ガスの間欠供給による水素極反応抵抗の変動量Ｚαのみを抽出することができる。なお、燃料ガスの供給時の低周波インピーダンスは、酸素極側の容量成分Ｃｏ及び水素極側の容量成分Ｃｏに起因した応答特性やノイズ等によって変動するため、燃料ガスの供給時の低周波インピーダンスの平均値（Ｚｏｎａｖｇ）をその代表値として用いて示した。

【0036】

変動量Ｚαは、燃料電池２０の内部において水素欠乏状態の発生度合いに応じてさらに大きくなる。そこで、例えば、燃料電池２０の内部の一部に発生した水素欠乏（部分水素欠）の状態での変動量Ｚαを検出可能とするように、その変動量Ｚαにマージンを考慮した閾値（Ｚｔｈ）を設定する。そして、低周波インピーダンスの最大値（Ｚｍａｘ）と燃料ガスの供給時の低周波インピーダンスの平均値（Ｚｏｎａｖｇ）との差分（Ｚｄｉｆ）を閾値（Ｚｔｈ）と比較することで、燃料電池２０の内部に部分水素欠の状態が発生している否かの判定が可能となる。なお、実際には、上述したように（図２，３参照）、燃料ガスの供給時の低周波インピーダンスの平均値（Ｚｏｎａｖｇ）を算出することは困難であるので、間欠供給の周期以上の長さに設定された区間Ｔｍごとの移動平均値（Ｚａｖｇ）としている。移動平均値（Ｚａｖｇ）は、インジェクタの開閉周期に応じた周期変動分が平滑化された値となるので、図４に示したように、低周波インピーダンスの変動の影響は小さく、また、低周波インピーダンスの計測値のノイズ等を除去することもできる。従って、低周波インピーダンスの移動平均値（Ｚａｖｇ）を、燃料ガスの供給時の低周波インピーダンスの平均値（Ｚｏｎａｖｇ）に置き換えて用いても差し支えない。

【0037】

以上のように、本実施形態では、燃料電池２０へ燃料ガスを間欠的に供給する場合において、低周波数（ｆｚ＝２０Ｈｚ）の交流インピーダンス（低周波インピーダンス）の最大値（Ｚｍａｘ）と移動平均値（Ｚａｖｇ）との差分（Ｚｄｉｆ）を閾値（Ｚｔｈ）と比較することで、燃料電池２０の内部に部分的な水素欠乏の状態（部分水素欠の状態）が発生しているか否か判定することができる。そして、部分水素欠の状態が発生している場合には、インジェクタ５４から供給する燃料ガスの供給量を増加させて、部分水素欠の状態を回避するように制御することができる。

【0038】

Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態の水素欠判定処理の手順を示す説明図である。この水素欠判定処理は、第１実施形態と同様に、燃料電池システム１０（図１）における制御部８０の水素欠判定部８２（図１）において実行される。

【0039】

第１実施形態の水素欠判定処理（図２）では、図６を用いて説明した燃料ガスの供給時の低周波インピーダンスの値（Ｚｏｎ）に対応する値として、移動平均値（Ｚａｖｇ）を用いた場合を例に説明したが、移動平均値（Ｚａｖｇ）に代えて同じ区間Ｔｍにおける最小値（Ｚｍｉｎ）を用いてもよい。そこで、図７の水素欠判定処理では、第１実施形態の水素欠判定処理（図２）のステップＳ１０３，Ｓ１０４が、ステップＳ１０３Ｂ，Ｓ１０４Ｂに置き換えられている。

【0040】

ステップＳ１０３Ｂでは、ステップＳ１０３（図２）と同様の区間Ｔｍごとに、低周波数（ｆｚ＝２０Ｈｚ）の交流インピーダンス（低周波インピーダンス）の最大値（Ｚｍａｘ）を求めるとともに、最小値（Ｚｍｉｎ）を求める。そして、ステップＳ１０４Ｂでは、求めた最大値（Ｚｍａｘ）と最小値（Ｚｍｉｎ）の差分（Ｚｄｉｆ＝［Ｚｍａｘ−Ｚｍｉｎ］）を算出する。そして、差分（Ｚｄｉｆ）と閾値（Ｚｔｈ）を比較する（ステップＳ１０５）ことにより、第１実施形態と同様に、燃料電池２０の内部に部分的な水素欠乏の状態（部分水素欠の状態）が発生しているか否か判定することができる。そして、部分水素欠の状態が発生している場合には、インジェクタ５４から供給する燃料ガスの供給量を増加させて、部分水素欠の状態を回避するように制御することができる。

【0041】

Ｃ．他の実施形態：
（１）上記実施形態では、交流信号印加部９６から燃料電池２０の正負両極端子間に交流電圧を印加する場合を例に説明したが、交流電流を印加するようにしてもよい。

【0042】

（２）上記実施形態では、インピーダンス計測部９５の交流信号印加部９６が交流信号を燃料電池２０の正負両極端子間に印加する構成を例に説明したが、制御部８０をインピーダンス計測部として機能させてもよい。この場合、インピーダンス計測部としての制御部８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０を制御して、燃料電池２０の正負両極端子間の電流または電圧をあらかじめ定めた低周波数で変化させ、電圧計９８および電流計９９によって計測される交流電圧及び交流電流から正負両極端子間の低周波インピーダンスを計測するようにしてもよい。

【0043】

本発明は、上述の実施形態や他の実施形態、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態や変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組合せを行うことが可能である。また、前述した実施形態及び各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

【符号の説明】

【0044】

１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１…エンドプレート
２２…絶縁板
２３…集電板
２４…セル
３０…空気供給排出機構
３１…コンプレッサ
３２…空気供給流路
３３…分流弁
３６…調圧弁
３８…バイパス流路
３９…空気排出流路
４０…水素タンク
４１…シャットバルブ
５０…水素供給排出機構
５１…水素供給流路
５３…レギュレータ
５４…インジェクタ
５５…循環流路
５６…気液分離部
５７…水素ポンプ
５８…排水シャットバルブ
５９…排出流路
７０…冷却水循環機構
７１…ラジエータ
７２…冷却水ポンプ
７３…冷却水排出流路
７４…冷却水供給流路
８０…制御部
８２…水素欠判定部
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９５…インピーダンス計測部
９６…交流信号印加部
９７…計測実行部
９８…電圧計
９９…電流計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】