特開 2024-72021 燃料電池スタックの含水状態判定装置および燃料電池車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024072021

(43)【公開日】2024-05-27

(54)【発明の名称】燃料電池スタックの含水状態判定装置および燃料電池車

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04492 20160101AFI20240520BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20240520BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20240520BHJP

   H01M 8/04291 20160101ALI20240520BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240520BHJP

   B60L 58/30 20190101ALI20240520BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240520BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04492

H01M8/00 Z

H01M8/04537

H01M8/04291

H01M8/04 Z

B60L58/30

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022182593

(22)【出願日】2022-11-15

(71)【出願人】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】110000419

【氏名又は名称】弁理士法人太田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】福富 悠史

【テーマコード（参考）】

5H125

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H125AA01

5H125AB01

5H125AC07

5H125AC12

5H125BD07

5H125EE35

5H125EE36

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB04

5H127AB29

5H127AC10

5H127AC11

5H127AC13

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA28

5H127BA57

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127DB68

(57)【要約】

【課題】測定に用いられる交流信号のうち低周波数側も有効に活用して燃料電池の状態判定を行うことが可能な燃料電池の含水状態判定装置および燃料電池車を提供する。
【解決手段】本開示の一形態における燃料電池スタックの含水状態判定装置は、１又は複数のセルで構成された燃料電池スタックに測定用負荷波形を印加して得られるインピーダンス測定に基づいて前記燃料電池スタックの含水状態判定を行う制御装置を含み、前記制御装置は、前記インピーダンス測定に基づく前記セルの膜抵抗が第１閾値を超えるかで前記セルの乾燥状態を判定し、前記膜抵抗の値が前記第１閾値以下であり、且つ、前記インピーダンス測定における低周波側のばらつき度合いが前記第１閾値と異なる第２閾値を超える場合にはフラッディングと判定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

１又は複数のセルで構成された燃料電池スタックに測定用負荷波形を印加して得られるインピーダンス測定に基づいて前記燃料電池スタックの含水状態判定を行う制御装置を含み、
前記制御装置は、
前記インピーダンス測定に基づく前記セルの膜抵抗が第１閾値を超えるかで前記セルの乾燥状態を判定し、
前記膜抵抗の値が前記第１閾値以下であり、且つ、前記インピーダンス測定における低周波側のばらつき度合いが前記第１閾値と異なる第２閾値を超える場合にはフラッディングと判定する、
燃料電池スタックの含水状態判定装置。

【請求項2】

前記低周波側のばらつき度合いは、
前記インピーダンス計測に用いられる交流信号に含まれる周波数と、前記セルへの印加電流と出力電圧の位相差と、に基づいて算出される、
請求項１に記載の燃料電池スタックの含水状態判定装置。

【請求項3】

前記制御装置は、
Ｙ軸を前記位相差としつつＸ軸を前記周波数としたＸＹ座標面における、周波数に沿った複数の測定点で構成された多角形の面積総和から、前記ばらつき度合いを判定する、
請求項２に記載の燃料電池スタックの含水状態判定装置。

【請求項4】

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの含水状態を判定する請求項１～３のいずれか一項に記載の含水状態判定装置と、
を含む燃料電池車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、例えば燃料電池スタックの含水状態判定装置と、この含水状態判定装置を備えた燃料電池車に関する。

【背景技術】

【0002】

現代社会において移動手段は不可欠であり、日常において自動車などの様々な車両が路上を移動している。その中でも、車両に駆動力を供給する新たな駆動源として、環境に対する負荷が相対的に小さい燃料電池が注目されている。

【0003】

かような燃料電池においては、一方の電極（燃料極）に対して燃料ガス（水素）を供給するとともに、他方の電極（空気極）に対して酸化剤ガス（酸素）を供給し、これらが化学反応することで電気エネルギーを得ている。従って、燃料電池から適切な電気エネルギー（発電電力）を継続して得るためには、車両に搭載された燃料電池の内部状態を適切に判定する必要がある。

【0004】

上記した内部状態の判定に関し、例えば特許文献１では、燃料電池の電解質膜における含水量に基づいて燃料電池の内部状態を判定する技術が提案されている。この特許文献１では、含水量の計測誤差はインピーダンス計測に用いられる交流信号に含まれる低周波数の位相差に依存することを示した上で、この計測誤差が大きい場合には燃料電池における含水量の算出値として採用しないようにすることが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１８－１８１５３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した各特許文献に限らず現在の技術では未だ市場のニーズを満たしているとは言えず以下に述べる課題が存在する。
すなわち燃料電池の内部状態を推定する手法として、例えば上記した特許文献にも示された交流インピーダンス法が一般的に用いられる。しかしながら上記した特許文献でも指摘されるとおり、測定に用いられる交流信号のうち低周波数側ではインピーダンス測定において測定精度が低く誤差が生じることがある。

【0007】

これに対して特許文献１で提案されるように、測定誤差が大きい場合には含水量の算出値として採用しないという処理も有効ではあるものの、かような測定誤差が発生しているときには燃料電池の含水量が測定できないといった不都合も同時に生じてしまう。

【0008】

本開示は、上記した課題を一例に鑑みて為されたものであり、測定に用いられる交流信号のうち低周波数側も有効に活用して燃料電池の状態判定を行うことが可能な燃料電池の含水状態判定装置および燃料電池車を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本開示のある観点によれば、１又は複数のセルで構成された燃料電池スタックに測定用負荷波形を印加して得られるインピーダンス測定に基づいて前記燃料電池スタックの含水状態判定を行う制御装置を含み、前記制御装置は、前記インピーダンス測定に基づく前記セルの膜抵抗が第１閾値を超えるかで前記セルの乾燥状態を判定し、前記膜抵抗の値が前記第１閾値以下であり、且つ、前記インピーダンス測定における低周波側のばらつき度合いが前記第１閾値と異なる第２閾値を超える場合にはフラッディングと判定する燃料電池スタックの状態判定装置が提供される。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、測定に用いられる交流信号のうち低周波数側も有効に活用することで演算負荷を抑制しつつ燃料電池の含水状態を精度良く測定できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態に係る燃料電池の状態判定装置を備えた燃料電池車の構成例を示す模式図である。

【図2】実施形態に係る燃料電池車の各構成と機能を説明する模式図である。

【図3】実施形態に係る制御装置とその周辺装置の構成例を示す模式図である。

【図4】実施形態に係る燃料電池の含水状態判定方法を示すフローチャートである。

【図5】燃料電池の含水状態判定方法における膜抵抗判定ステップを説明するための模式図である。

【図6】含水状態判定方法における低周波数ばらつき判定ステップを説明するための模式図（その１）である。

【図7】含水状態判定方法における低周波数ばらつき判定ステップを説明するための模式図（その２Ａ）である。

【図8】図７における四角枠で囲った領域を拡大した模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

次に本開示の好適な実施形態について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、以下で詳述する以外の構成については、例えば公知の交流インピーダンス法の他に、公知の燃料電池システムや燃料電池車に関する要素技術や構成を適宜補完してもよい。

【0013】

＜燃料電池車ＦＣＶ＞
図１及び図２は、本実施形態に係る燃料電池スタックＦＣを備えた燃料電池車ＦＣＶの構成例と機能ブロックをそれぞれ示す模式図である。この燃料電池車ＦＣＶは、図２に示すように、車両の駆動トルクを生成する駆動力源２１から出力される駆動トルクを左前輪３ＬＦ、右前輪３ＲＦ、左後輪３ＬＲ及び右後輪３ＲＲ（以下、特に区別を要しない場合には「車輪３」と総称する）に伝達する四輪駆動車として構成されている。駆動力源２１は、本実施形態では前輪側に配置された公知の電動モータが例示できる。

【0014】

なお、本実施形態の駆動力源２１としての電動モータは、前輪側と後輪側でそれぞれ１つずつ配置されていてもよく、あるいは各車輪３にそれぞれ１つの電動モータが配置される形態であってもよい。また、駆動力源２１は、上記した電動モータに加えて、さらにガソリンエンジンやディーゼルエンジンあるいはガスタービンエンジン等の内燃機関を備えていてもよい。

【0015】

かような駆動力源２１に所望の電力を供給する電源システムは、例えばＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）など公知の燃料電池セル（以下、単に「セル」とも称する）が複数積層されて構成された燃料電池スタックＦＣと、それぞれ公知の水素タンク２３と配管を含む水素ガス供給部と、それぞれ公知のコンプレッサ３１と配管を含む空気供給部と、リチウムイオン二次電池や鉛蓄電池などの公知の２次電池５０と、公知のコンバータ２２と、これらを制御する制御装置１００と、を含んでいる。

【0016】

なお本実施形態における制御装置１００は、燃料電池スタックＦＣにおける含水状態を判定する含水状態判定装置１０としても機能する。また、この電源システムでは、燃料電池スタックＦＣ及びおよび２次電池５０の各々が上記した電動モータを含む負荷に対して電力を供給可能となっている。

【0017】

図２に示すように、この燃料電池スタックＦＣは、上記したコンバータ２２及び駆動力源２１（電動モータ）を含む負荷に接続されている。また図２に示すように、燃料電池スタックＦＣにおける電流および電圧は、それぞれ公知の電流センサーＳＲ_１と電圧センサーＳＲ_２によって検出される。

【0018】

コンバータ２２は、直流電流と交流電流との変換を行う公知のＡＣ／ＤＣコンバータや、直流電流の電圧を所望の電圧に調整する公知のＤＣ／ＤＣコンバータを含んで構成されている。一例として、本実施形態のコンバータ２２は、制御装置１００の制御信号を受けて、燃料電池スタックＦＣが発電して出力する出力電圧を設定する機能や、燃料電池スタックＦＣが発電した電力を負荷に供給する際に所望の電圧に昇圧する機能などを有している。

【0019】

また、本実施形態の燃料電池車ＦＣＶは、運転制御に用いられる装備として、上記した駆動力源２１、電動ステアリング装置８及びブレーキ装置４ＬＦ、４ＲＦ、４ＬＲ、４ＲＲ（以下、特に区別を要しない場合には「ブレーキ装置４」と総称する）を備えている。

【0020】

駆動力源２１は、図示しない変速機や前輪差動機構５Ｆ及び後輪差動機構５Ｒを介して前輪駆動軸２Ｆ及び後輪駆動軸２Ｒに伝達される駆動トルクを出力する。駆動力源２１や変速機の駆動は、一つ又は複数の電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を含んで構成された公知の制御装置により制御される。

【0021】

前輪駆動軸２Ｆには電動ステアリング装置８が設けられている。電動ステアリング装置８は図示しない電動モータやギヤ機構を含み、後述する車両駆動制御装置２０により制御されることによって左前輪３ＬＦ及び右前輪３ＲＦの操舵角を調節する。

【0022】

車両駆動制御装置２０は、燃料電池車ＦＣＶの駆動トルクを出力する駆動力源２１、ステアリングホイール９又は操舵輪の操舵角を制御する電動ステアリング装置８、燃料電池車ＦＣＶの制動力を制御するブレーキ装置４の駆動を制御する公知の一つ又は複数の電子制御装置（ＥＣＵ）を含む。車両駆動制御装置２０は、駆動力源２１から出力された出力を変速して車輪３へ伝達する変速機の駆動を制御する機能を備えていてもよい。

【0023】

また、図２に示すように、燃料電池スタックＦＣへ燃料（水素）ガスを供給するための水素ガス供給部においては、水素タンク２３に貯蔵された水素ガスは、水素供給流路に設置された公知の構造を有する水素吸気バルブ３２ａなどを介して、上述した燃料電池スタックＦＣのアノード側流路に供給される。

【0024】

なお、燃料電池スタックＦＣから排出された水素ガスの一部は、循環流路および公知の循環ポンプ４５によって水素供給流路に還流されてもよい。また、燃料電池スタックＦＣから排出された水素ガスの残部は、制御装置１００による制御の下で、公知の水素排気バルブ３２ｂの開閉動作を介して所定のタイミングで公知の希釈器４１によって希釈された後で大気放出（排気）される。

【0025】

一方で図２に示すように、燃料電池スタックＦＣへ酸素ガス（空気）を供給するための空気供給部は、上記したコンプレッサ３１の他に、セルへの酸素（空気）供給量を調整する公知の酸素吸気弁３２ｃおよび空気排出弁（背圧弁）３２ｄなどを備えて構成されている。また、この空気供給部は、燃料電池スタックＦＣへと供給される空気の流量を計測可能な公知の流量センサ（不図示）をさらに備えていてもよい。

【0026】

そしてコンプレッサ３１で取り込まれた空気は、酸素吸気弁３２ｃおよび公知の加湿器（不図示）を経由して、燃料電池スタックＦＣ内のカソード側流路に供給される。また、セルに供給された空気は、制御装置１００による空気排出弁（背圧弁）３２ｄの制御の下で、カソードオフガスとして上記した希釈器４１へ供給される。

【0027】

制御装置１００は、一つ又は複数のプロセッサ（ＣＰＵ（Central Processing Unit））と、前記一つ又は複数のプロセッサに通信可能に接続される一つ又は複数の記憶装置（メモリ）と、を備えて構成されている。制御装置１００は、一つ又は複数の電子制御装置（ＥＣＵ）を含む集合体として構成されていてもよい。この制御装置１００は、一例としてスマートフォンを利用する形態など公知の種々の通信装置ＣＤを介してインターネットなどの公知の外部ネットワークＮＥＴと接続可能に構成されていてもよい。

【0028】

かような制御装置１００には、直接的に又はＣＡＮ（Controller Area Network）やＬＩＮ（Local Inter Net）等の通信手段を介して、コンプレッサ３１、各バルブ３２（水素吸気バルブ３２ａ、水素排気バルブ３２ｂ、酸素吸気弁３２ｃ及び空気排出弁３２ｄ）、電流センサーＳＲ_１及び電圧センサーＳＲ_２などの公知のセンサー類ＳＲなどが電気的に接続されている。

【0029】

本実施形態の燃料電池スタックＦＣは、例えばそれぞれが１Ｖ程度の起電力を有する公知のセルが直列接続して複数積層されたスタック構造を有している。一例として、本実施形態の燃料電池スタックＦＣとしては、燃料電池を両端で加圧して保持する一対の公知のエンドプレート内に、燃料電池車ＦＣＶが必要とするシステム電圧となるように複数のセルが直列接続された構造の固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が例示できる。

【0030】

また、燃料電池スタックＦＣを構成する個々のセルは、それぞれ燃料極側と空気極側に設置される一対の公知のセパレータの間に、公知のＭＥＡ（膜電極接合体）が介在する構造を有している。このＭＥＡは、公知のカソード触媒層と、このカソード触媒層と対向配置された公知のアノード触媒層と、これらカソード触媒層とアノード触媒層との間に配置される公知の高分子電解質膜を少なくとも含んで構成されている。なお、膜電極接合体は、それぞれ公知の、空気極側ガス拡散層と燃料極側ガス拡散層をさらに含んで構成されていてもよい。

【0031】

＜含水状態判定装置１０＞
次に図３を用いて、本実施形態における燃料電池スタックＦＣの含水状態判定を行う含水状態判定装置１０について説明する。すなわち本実施形態の含水状態判定装置１０は、１又は複数のセルで構成された燃料電池スタックＦＣに測定用負荷波形を印加して得られるインピーダンス測定に基づいて燃料電池スタックＦＣの含水状態判定を行う機能を有して構成されている。

【0032】

より具体的に本実施形態の含水状態判定装置１０は、電流計測部１０Ａ、電圧計測部１０Ｂ、インピーダンス計測部１０Ｃ、膜抵抗算出部１０Ｄおよび含水判定部１０Ｅを含んで構成されている。上述したとおり、含水状態判定装置１０は、本実施形態の制御装置１００が実行する一つの機能として構成されている。図３に示すように、制御装置１００は、さらに提示制御部１０Ｆを含んで構成されていてもよい。

【0033】

電流計測部１０Ａは、上記した燃料電池スタックＦＣの電流値を計測する機能を有して構成されている。より具体的に本実施形態の電流計測部１０Ａは、上記した電流センサーＳＲ_１を介して燃料電池スタックＦＣを流れる電流値を計測することができる。

【0034】

電圧計測部１０Ｂは、上記した燃料電池スタックＦＣの電圧値を計測する機能を有して構成されている。より具体的に本実施形態の電圧計測部１０Ｂは、上記した電圧センサーＳＲ_２を介して燃料電池スタックＦＣにかかる電圧値を計測することができる。

【0035】

インピーダンス計測部１０Ｃは、前記した燃料電池スタックＦＣに測定用の交流信号を印加して燃料電池スタックＦＣの交流インピーダンスを計測する機能を有して構成されている。インピーダンス計測部１０Ｃは、例えば公知の交流インピーダンス法に従って、駆動力源２１（電動モータ）に印加される駆動電流に対して公知の測定用交流電流を印加することで燃料電池スタックＦＣの交流インピーダンスを計測できる。本実施形態のインピーダンス計測部１０Ｃは、例えば燃料電池スタックＦＣを構成する特定のセルにおけるインピーダンスを計測してもよいし、燃料電池スタックＦＣを構成する各セルのインピーダンスをそれぞれ計測してもよい。

【0036】

膜抵抗算出部１０Ｄは、上記したインピーダンス計測部１０Ｃが計測したインピーダンスに基づいて、この測定時における燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池セル内の膜抵抗Ｒｍｅｍを算出する機能を有して構成されている。一例として、本実施形態の膜抵抗算出部１０Ｄは、公知の手法に従って、上記したインピーダンス計測部１０Ｃで得られたインピーダンスからコールコールプロットを生成し、このコールコールプロットに基づいて上記膜抵抗Ｒｍｅｍを算出することができる。

【0037】

含水判定部１０Ｅは、上記した燃料電池スタックＦＣにおける１又は複数のセルの含水状態を判定する機能を有して構成されている。より具体的に図３に示すように、含水判定部１０Ｅは、上記したインピーダンス測定に基づくセルの膜抵抗Ｒｍｅｍが後述する第１閾値を超えるか否かを判定する膜抵抗閾値判定部１０Ｅａと、このインピーダンス測定における低周波側のばらつき度合いが第２閾値を超えるか否かを判定する低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂと、を含んで構成されている。

【0038】

これにより含水判定部１０Ｅは、上記した膜抵抗閾値判定部１０Ｅａを介して、前記したセルの膜抵抗が第１閾値を超えるかでセルの乾燥状態（例えばドライアウトしているか否か）を判定可能に構成される。かような第１閾値の具体値としては、燃料電池スタックＦＣのセル数や定格電圧や電流などの仕様値によって変わり得ることから、事前の実験又はシミュレーションによって決定することができる。なお非限定的な一例として、本実施形態では上記した第１閾値の値は３５ｍΩと設定したが、第１閾値の具体値は上記のとおり車両や燃料電池の仕様などに応じて種々規定することができる。

【0039】

また、含水判定部１０Ｅは、上記した低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂを介して、この膜抵抗の値が前記第１閾値以下であり、且つ、インピーダンス測定における低周波側のばらつき度合いが第２閾値を超える場合にはフラッディング（過水状態）と判定可能に構成される。

【0040】

ここで「低周波側」とは、上記した特許文献１でも指摘されているとおり、セルの含水量測定において測定精度のばらつきが生じる周波数帯を指す。かような周波数帯としては、例えば低周波数が１～１５０Ｈｚの帯域を言う。
また、「ばらつき度合い」とは、セルの含水状態が適正な状態（すなわち燃料電池の動作に支障が生じるドライやフラッディングではない状態）に対するばらつきの度合いを言う。かような「ばらつき度合い」を計測する手法としては、公知の種々の手法が適用できるが、一例として後述する低周波側における周波数に沿った複数の測定点で構成された多角形の面積総和（すなわち予め実験又はシミュレーションで算出したセルの含水状態が適正な場合におけるグラフからどの程度ばらついているかを面積で算出する手法）に基づいて決定してもよい。

【0041】

なおこの第２閾値は、後述するとおり、上記したインピーダンス計測に用いられる交流信号に含まれる周波数と、燃料電池スタックＦＣを構成するセルへの印加電流と出力電圧の位相差と、に基づいて算出される。また、この第２閾値は、上記した第１閾値とは異なる値となるが、その具体値としては第１閾値と同様に燃料電池スタックＦＣの仕様などに応じて実験又はシミュレーションによって決定することができる。

【0042】

このように本実施形態における含水判定部１０Ｅは、燃料電池スタック内において水分量が適切であるかの含水状態の判定を実行し得る。含水判定部１０Ｅは、例えば上記交流インピーダンスから得られたナイキスト線図（コールコールプロット）に基づいて、このナイキスト線図におけるセルの膜抵抗Ｒ_ｍｅｍの値と、および、このナイキスト線図における低周波側のばらつき度合いと、を算出できる。

【0043】

なお、本実施形態の含水判定部１０Ｅは、ナイキスト線図（コールコールプロット）に基づいて上記した判定を行っているが、本実施形態における含水状態の判定には必ずしもコールコールプロットの算出は必須ではない。すなわち、含水判定部１０Ｅは、燃料電池スタックＦＣに印加した測定負荷波形に基づいて生成された測定周波数とインピーダンスとの関係における膜抵抗Ｒ_ｍｅｍの値や低周波側の測定点を用いて、上記した含水状態の判定を実行してもよい。

【0044】

提示制御部４０は、公知の車載スピーカＳＰやディスプレイＤＰを含む提示装置ＤＤを介して、上記した燃料電池スタックＦＣの状態や電池劣化に関する注意喚起など各種情報を提示する処理を実行する。なお提示制御部４０は、上記した各種情報を、車載された提示装置ＤＤを介して乗員に提示してもよいし、乗員が所持するスマートフォンなどの外部端末にアクセスして提示する制御を行ってもよい。

【0045】

＜燃料電池スタックの管理方法＞
次に図４～図６も参照しつつ、本実施形態における含水状態判定装置１０を含む制御装置１００によって実行可能な、燃料電池スタックの含水状態判定方法について説明する。なお、当該管理方法は、コンピュータが読み取り可能なプログラムのアルゴリズムとして用いられてもよい。かようなアルゴリズムを有するプログラムは、例えば公知のネットワークを介して燃料電池車ＦＣＶにダウンロード可能に流通したり、記録媒体に格納された形で流通し得る。
以下では、例えばユーザが燃料電池車ＦＣＶのシステムを起動して走行を開始したときを例にして説明する。

【0046】

まずステップ１で、含水状態判定装置１０は、燃料電池スタックＦＣの含水状態判定が必要か否かを判定する。かような含水状態判定を開始するタイミングとして、含水状態判定装置１０は、例えば公知の温度センサー（不図示）に基づいて燃料電池スタックＦＣが適正温度となったとき、あるいは、燃料電池スタックＦＣが起動して所定時間が経過する毎などを基準にしてもよい。さらに含水状態判定装置１０は、例えば燃料電池スタックＦＣの温度が適正となり、且つ、燃料電池車ＦＣＶが定速走行を行うなど燃料電池スタックＦＣにかかる負荷が相対的に小さいときなどを基準としてもよい。

【0047】

そしてステップ１で燃料電池スタックＦＣの含水状態判定が必要でないとき（ステップ１でＮｏ）、次いでステップ８に移行してシステムがＯＦＦとなったか否かが判定される。そしてステップ８でシステムがＯＦＦとなっていない場合にはステップ１へ戻って上記した処理が繰り返される。

【0048】

他方、ステップ１で燃料電池スタックＦＣの含水状態判定が必要となった場合（ステップ１でＹｅｓ）には、続くステップ２において、含水状態判定装置１０（インピーダンス計測部１０Ｃ）は、例えば燃料電池スタックＦＣに公知の測定用交流信号を印加して燃料電池スタックＦＣの交流インピーダンスを計測する。なおインピーダンス計測時に燃料電池スタックＦＣに印加する測定用交流信号としては、燃料電池スタックＦＣのインピーダンスを計測可能な限りにおいて特に制限はなく、上記した特許文献に開示された測定用波形など公知の交流インピーダンス法による種々の測定波形を適用してもよい。

【0049】

ステップ２で燃料電池スタックＦＣのインピーダンスを計測した後で、含水状態判定装置１０は、続くステップ３において燃料電池スタックＦＣを構成するセルの膜抵抗Ｒｍｅｍを算出する。より具体的に含水状態判定装置１０（膜抵抗算出部１０Ｄ）は、図５に示すように、上記したインピーダンス計測部１０Ｃが計測したインピーダンスに基づいてコールコールプロットを生成し、このコールコールプロットに基づいて膜抵抗Ｒｍｅｍを算出することができる。なお本実施形態の含水状態判定装置１０は、上記したコールコールプロットに基づいて膜抵抗Ｒｍｅｍを算出しているが、他の公知の手法に従って燃料電池スタックＦＣを構成するセルの膜抵抗Ｒｍｅｍを算出してもよい。

【0050】

ステップ３で燃料電池スタックＦＣを構成するセルの膜抵抗Ｒｍｅｍを算出した後は、含水状態判定装置１０は、続くステップ４において、上記した膜抵抗Ｒｍｅｍの値が所定の閾値以下か否かの膜抵抗閾値判定処理を実行する。
＜膜抵抗閾値判定処理＞
より具体的に、図５に示すように、膜抵抗閾値判定部１０Ｅａは、ステップ３で算出した膜抵抗Ｒｍｅｍが上記した第１閾値ＴＨ_１以下であるか否かを判定する。なお図５に示す例においては膜抵抗Ｒｍｅｍが上記した第１閾値ＴＨ_１以下であることから、制御装置１００は、このときの燃料電池スタックＦＣを構成するセルはドライ（乾燥状態）ではないと判定することができる。上述したとおり、本実施形態では、一例として第１閾値ＴＨ_１は３５ｍΩと設定されている。

【0051】

すなわちステップ４で膜抵抗Ｒｍｅｍが上記した第１閾値ＴＨ_１を超える場合（ステップ４でＮｏ）である場合には、制御装置１００は、ステップ５Ａに移行して燃料電池スタックＦＣを構成するセルはドライ（公知例に示されるごときセルが乾燥した状態）であると判定する。一方でステップ４において膜抵抗Ｒｍｅｍが上記した第１閾値ＴＨ_１以下である場合（ステップ４でＹｅｓ）である場合には、制御装置１００は、ステップ５Ｂ及びステップ６に移行して後述する低周波数ばらつき判定処理を実行する。

【0052】

＜低周波数ばらつき判定処理＞
すなわち図６に示すように、低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂは、まずインピーダンス測定で得られたコールコールプロットにおける低周波側のばらつき度合いを算出する。なお本実施形態では、上記した「低周波側」の一例として、０．５Ｈｚ～４０Ｈｚの範囲を規定している。
また、上記したコールコールプロットにおける低周波側のばらつき度合いは、例えば燃料電池スタックＦＣの含水状態によって変化し得る。参考として、図６（ａ）では上記した低周波側のばらつきが無い場合における燃料電池スタックＦＣのコールコールプロット（一例）を、図６（ｂ）では上記したばらつきが有る場合におけるコールコールプロット（一例）、図６（ｃ）では上記したばらつきが有る場合と無い場合を重ねたグラフをそれぞれ示した。

【0053】

本実施形態における「低周波側のばらつき度合い」は、一例として次のとおり判定される。すなわちステップ５Ｂにおいて、低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂは、図６に示されるように、燃料電池スタックＦＣを構成するセルへの印加電流と出力電圧の位相差をＹ軸とし、インピーダンス計測に用いられる交流信号に含まれる周波数をＸ軸としたＸＹ座標面における、この周波数に沿った複数の測定点で構成された多角形（本例ではＹ軸に沿って隣り合う３点を結んで形成される三角形）の面積総和から、上記したばらつき度合いを判定する。なお、上記した多角形の面積総和は、例えば公知の算出式を用いて算出することができる。

【0054】

本実施形態では、一例として、上記した周波数に沿った複数の測定点で構成された多角形の面積総和の基準値として「１００」を上記第２閾値として設定している。なお基準値として「１００」は一例であって、車両や燃料電池の仕様などによって種々の数値を規定し得る。本実施形態の低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂは、ステップ６において、ステップ５Ｂで算出された多角形の面積総和（ばらつき度合い）がこの第２閾値を超えるか否かを判定する。そしてステップ６において上記多角形の面積総和（ばらつき度合い）がこの第２閾値を超える場合、低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂは、ステップ７Ａに移行して「フラッディング（燃料電池の反応過程で生成された水が滞留することで発電反応を阻害している状態）」と判定することができる。

【0055】

一方でステップ６において上記多角形の面積総和（ばらつき度合い）がこの第２閾値を超えない場合、低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂは、ステップ７Ｂに移行して燃料電池スタックＦＣは「最適状態（上記したドライでもフラッディングでもない状態）」と判定することができる。
なお本実施形態では上記した多角形の面積総和に基づいて低周波側のばらつき度合いを算出しているが、本開示はこの形態には限られない。すなわち図６に示すグラフの測定点の推移からばらつき度合いを判定可能な公知の種々の手法を適用することで、上記低周波側のばらつき度合いを算出してもよい。

【0056】

なお、本実施形態の制御装置１００によって燃料電池スタックＦＣの含水状態が「ドライ」又は「フラッディング」と判定された後は、公知の種々の手法によって燃料電池スタックＦＣの含水状態を最適化する処理を行ってもよい。
以上説明した本実施形態の含水状態判定装置１０を含む制御装置１００は、測定に用いられる交流信号のうち低周波数側においてばらつきが生じた場合でも、このばらつきを含水状態の判定に活用することで、演算負荷を抑制しつつ燃料電池の含水状態を精度良く測定できる。

【0057】

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術はかかる例に限定されない。本開示の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

【0058】

例えば低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂは、「低周波側のばらつき度合い」を、図６に示される上記位相差と周波数のグラフに基づいて算出した。しかしながら本実施形態は上記形態に限定されず、低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂは、図７及び図８に例示するように、Ｘ軸と実軸としつつＹ軸を虚軸としたコールコールプロットにおける実軸に沿った複数の測定点で構成された推定値からの差から、上記したばらつき度合いを判定してもよい。なお各図では、（ａ）低周波側のばらつきが無い場合と（ｂ）低周波側のばらつきが有る場合とを示し、さらに図８では（ｃ）として図７の四角枠内をそれぞれ抽出したグラフを重ねて示している。

【0059】

このとき低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂは、上記した実軸に対して周波数密度が高い第１の範囲と低い第２の範囲に測定領域を分割してそれぞれ解析を実行してもよい。すなわち低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂは、上記第２の範囲については上記したばらつき度合いに対する寄与度が低くなるため、処理の負荷を抑制した測定および解析を実行してもよい。一方で低周波数ばらつき判定部１０Ｅｂは、上記第１の範囲については上記したばらつき度合いに対する寄与度が大きいため、第２の範囲に比して多数の測定点で測定および解析を実行してもよい。

【符号の説明】

【0060】

１０ 含水状態判定装置
１０Ａ 電流計測部
１０Ｂ 電圧計測部
１０Ｃ インピーダンス計測部
１０Ｅ 含水状態判定部
１０Ｆ 提示制御部
２０ 車両駆動制御装置
１００ 制御装置
ＦＣ 燃料電池スタック
ＦＣＶ 燃料電池車

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】