JP2017037758A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】実際の燃料電池の運転中に精度良く触媒の有効表面積を推定可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池２０内の湿潤状態を推定し、燃料電池２０の低電流域及び高電流域のそれぞれでの出力電流値及び出力電圧値を、湿潤状態が推定された前後の所定期間内に取得し、取得された出力電流値及び出力電圧値に基づいて、燃料電池内の酸化剤ガスの拡散抵抗を算出し、取得された低電流域での所定の電流値における出力電圧値に基づいて触媒の有効表面積の第１の推定値を算出し、推定された湿潤状態及び算出された拡散抵抗に基づいてマップを参照して有効表面積の第２の推定値を算出して、有効表面積の最終的な推定値を算出する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池の出力の増大が要求された時に、燃料電池のカソード極に供給される酸化剤ガスの圧力変化に対する燃料電池の出力変化の割合に基づいて、カソード極の触媒の有効表面積を算出する手法が記載されている。

特開２０１４−０８２１１５号公報

しかしながら、上記文献に開示される手法によれば、燃料電池が出力する電流値を一定に維持した状態で酸化剤ガスの圧力を増大させ、そのときの燃料電池の出力変化を読み取ることにより、酸化剤ガスの圧力変化に対する燃料電池の出力変化の割合が取得されると考えられる。この場合、この割合が取得された後に、燃料電池の出力が要求出力に到達するように燃料電池の電流値の増大が開始されると考えられる。このため、燃料電池の出力の増大が要求されてから燃料電池の出力が要求出力に到達するまでに、出力増大要求後直ちに電流値を増大させた場合に比べて、長い時間を要し、出力応答特性が悪化するおそれがある。従って、実際の燃料電池の運転中にこのような手法を実施し難いという問題があった。

本発明では、実際の燃料電池の運転中に精度良く触媒の有効表面積を算出可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明によれば、カソード極及びアノード極を備えた燃料電池と、前記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記アノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池内の湿潤状態を推定する湿潤推定部と、前記燃料電池の低電流域及び高電流域のそれぞれでの出力電流値及び出力電圧値を、前記湿潤状態が推定された前後の所定期間内に取得する取得部と、取得された前記低電流域及び高電流域でのそれぞれの前記出力電流値及び出力電圧値に基づいて、前記燃料電池内の前記酸化剤ガスの拡散抵抗を算出する拡散抵抗算出部と、前記カソード極の触媒の有効表面積と前記拡散抵抗との対応関係を前記湿潤状態毎に規定したマップを記憶した記憶部と、取得された前記低電流域での所定の電流値における前記出力電圧値に基づいて前記有効表面積の第１の推定値を算出し、推定された前記湿潤状態及び算出された前記拡散抵抗に基づいて前記マップを参照して前記有効表面積の第２の推定値を算出して、前記第１の推定値及び前記第２の推定値に基づいて、前記有効表面積の最終的な推定値を算出する表面積算出部と、を備えた燃料電池システムを提供できる。

低電流域の出力電圧値に基づいて有効表面積の第１の推定値を算出し、低電流域及び高電流域でのそれぞれの出力電流値及び出力電圧値に基づいて拡散抵抗を算出して、湿潤状態及び拡散抵抗に基づいて有効表面積の第２の推定値を算出して、第１の推定値と第２の推定値に基づいて、有効表面積の最終的な推定値を算出する。このため、実際の燃料電池の運転中に精度良く触媒の有効表面積を算出できる。

実際の燃料電池の運転中に精度良く触媒の有効表面積を算出可能な燃料電池システムを提供できる。

燃料電池システムの構成を示す説明図である。 制御ユニットが実行する制御の一例を示すフローチャートである。 燃料電池の電流電圧特性を示したマップの例示図である。 記憶部に予め記憶された、拡散抵抗と白金有効表面積との対応関係を規定したマップの一例である。 低電流域での出力電圧値と白金有効表面積との対応関係を規定したマップである。

図１は、燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。この実施例は、燃料電池システムを車両に適用した例である。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（以下、燃料電池と称する）２０、酸化剤ガス配管系３０、燃料ガス配管系４０、電力系５０、及び制御ユニット６０を含む。燃料電池２０は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電を行い、発電に伴う電力を発生する。酸化剤ガス配管系３０は、酸化剤ガスとして、酸素を含む空気を燃料電池２０に供給する。燃料ガス配管系４０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給する。電力系５０は、システムの電力を充放電する。制御ユニット６０は、システム全体を統括制御する。

燃料電池２０は、固体高分子電解質型であり、多数の単電池（セル）を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２０の単電池は、電解質からなるイオン交換膜の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有している。カソード極とアノード極を含む電極には、例えば、多孔質のカーボン素材をベースに、白金Ｐｔが触媒（電極触媒）に用いられている。カソード極の表面には、カソード側のガス拡散層が配置され、同様にアノード極の表面にもアノード側のガス拡散層が配置されている。さらにカソード側及びアノード側のガス拡散層を両側から挟み込むように一対のセパレータが設けられている。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されて、燃料電池２０は電力を発生する。

燃料電池２０には、出力電流及び電圧をそれぞれ検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂ、燃料電池２０の温度を検出する温度センサ２ｃが取り付けられている。

酸化剤ガス配管系３０は、エアコンプレッサ３１、酸化剤ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、及びエアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１を有している。

エアコンプレッサ３１は、モータＭ１により駆動され、外気から取り込んだ酸素を含む空気（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池２０のカソード極に供給する。モータＭ１には、その回転数を検出する回転数検出センサ３ａが取り付けられている。酸化剤ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸化剤ガスを燃料電池２０のカソード極に導く。燃料電池２０のカソード極からはカソードオフガスがカソードオフガス流路３４を介して排出される。

加湿モジュール３３は、酸化剤ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化剤ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気し、カソード極出口付近には背圧調整弁Ａ１が配設されている。燃料電池２０から排出される酸化剤ガスの圧力、即ちカソード背圧は背圧調整弁Ａ１によって調圧される。カソードオフガス流路３４における燃料電池２０と背圧調整弁Ａ１の間には、カソード背圧を検出する圧力センサ３ｂが取り付けられている。

燃料ガス配管系４０は、燃料ガス供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、気液分離器４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２を有している。

燃料ガス供給源４１は、燃料電池２０へ燃料ガスである水素ガスを供給するタンクである。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２０のアノード極に導き、上流側から順にタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３が配設されている。これらバルブは、燃料電池２０へ燃料ガスを供給、遮断する電磁弁である。

燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２０へ還流させ、上流側から順に気液分離器４６、水素循環ポンプ４５、及び不図示の逆止弁が配設されている。燃料電池２０から排出された未反応燃料ガスは、水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２０から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスや気液分離器４６内に貯留された水をシステム外に排気し、排気排水弁Ｈ５が配設されている。

電力系５０は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４を備えている。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２からの直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力でき、燃料電池２０からの直流電圧又はトラクションインバータ５３により直流に変換されたトラクションモータＭ３からの電圧を調整してバッテリ５２に出力可能である。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２０の出力電圧が制御される。

バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、余剰電力の充電や補助的な電力供給が可能である。燃料電池２０で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により昇降圧され、バッテリ５２に充電される。バッテリ５２には、その充電状態を検出するＳＯＣセンサ５ａが取り付けられている。

トラクションインバータ５３、補機インバータ５４は、燃料電池２０又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３、補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７１、７２を駆動する。トラクションモータＭ３には、その回転数を検出する回転数検出センサ５ｂが取り付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、モータＭ１及びＭ２を総称したものである。

制御ユニット６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを含み、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御ユニット６０は、アクセルペダル８０の回動を検出するアクセルペダルセンサ８１、ＳＯＣセンサ５ａ、回転数検出センサ５ｂから送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２０への要求出力を算出する。

制御ユニット６０は、この要求出力を発生させるように燃料電池２０の出力電圧及び出力電流を制御する。制御ユニット６０は、トラクションインバータ５３および補機インバータ５４の出力パルスを制御して、トラクションモータＭ３および補機モータＭ４等を制御する。

ここで、燃料電池２０は、カソード触媒層における触媒である白金の発電に有効な部分の表面積（以下、白金有効表面積と称する）が減少して出力電圧が低下する場合がある。白金有効表面積の減少は、例えば、経年的な使用時間の増加によって不可逆的に減少する場合や、被毒や水の影響により可逆的に減少する場合がある。本実施例では、制御ユニット６０は白金有効表面積を算出する制御を実行する。この制御は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭにより機能的に実現される取得部６１、湿潤推定部６２、拡散抵抗算出部６３、表面積算出部６４、及び記憶部６５により実行される。詳しくは以下で説明する。

図２は、制御ユニット６０が実行する制御の一例を示すフローチャートである。この制御は、所定時間毎に繰り返し実行される。制御が開始されると、取得部６１は、燃料電池２０の低電流域及び高電流域のそれぞれの領域での出力電流値及び出力電圧値とを、所定期間内に取得したか否かを判定する（ステップＳ１）。低電流域及び高電流域でのそれぞれの出力電流値及び出力電圧値は、例えば以下のような場合に取得部６１により所定期間内に取得される。アクセルペダル８０が踏み込まれて、数秒以内に燃料電池２０が停止状態又はアイドル運転から高電流域へ移行する加速時である。また、アクセルペダル８０の踏み込み量が減少して数秒以内に燃料電池２０が高電流域からアイドル運転又は停止状態へと移行する減速時である。燃料電池２０の運転状態が低電流域及び高電流域を通過することにより、取得部６１は低電流域及び高電流域でのそれぞれの出力電流値及び出力電圧値を取得できる。出力電流値及び出力電圧値の取得方法については、詳しくは以下に述べる。

図３は、燃料電池２０の電流電圧特性を示したマップの例示図である。図３には、記憶部６５に予め記憶された複数のＩＶ曲線Ｃ１〜Ｃ４を示している。ＩＶ曲線Ｃ１〜Ｃ４は、予め実験により算出された、燃料電池２０が取り得る電流電圧特性（ＩＶ特性）を示している。燃料電池２０のＩＶ特性は運転状態に応じて変化する。ＩＶ曲線Ｃ１〜Ｃ４については後述する。

低電流域での出力電流値及び出力電圧値は、以下のようにして取得する。低電流域内に設定された基準電流値ＩＫが予め記憶部６５に記憶されており、この基準電流値ＩＫが低電流域での出力電流値として取得される。低電流域での出力電圧値は、電流センサ２ａにより検出された出力電流値が基準電流値ＩＫに到達した場合での燃料電池２０の出力電圧値として取得される。ここで基準電流値ＩＫは、燃料電池２０のアイドル運転状態での出力電流値より大きい値に設定されている。図３では、低電流域での出力電圧値Ｖ１が取得される場合と、出力電圧値Ｖ１より大きい出力電圧値Ｖ４が取得される場合とを例示している。ここで、低電流域での出力電圧値は実測値であるため、図３に示すように出力電圧値Ｖ１及びＶ４はそれぞれＩＶ曲線Ｃ１及びＣ４上にあるとは限らず、近似している場合がある。

高電流域での出力電流値及び出力電圧値は、以下のようにして取得する。高電流域に対応する高電圧域内に設定された基準電圧値ＶＫＬが予め記憶部６５に記憶されており、この基準電圧値ＶＫＬが高電流域での出力電圧値として取得される。高電流域での出力電流値は、電圧センサ２ｂにより検出された出力電圧値が基準電圧値ＶＫＬに到達した場合での燃料電池２０の出力電流値として取得される。図３では、高電流域での出力電流値Ｉ１が取得される場合と、出力電流値Ｉ１より小さい出力電流値Ｉ４が取得される場合とを例示している。ここで、上述したように、低電流域での出力電流値は実測値であるため、図３に示すように出力電流値Ｉ１及びＩ４はそれぞれＩＶ曲線Ｃ１及びＣ４上にあるとは限らず、近似している場合がある。

尚、図３に示すように、燃料電池２０の運転が許容される運転許容領域は、設計上の上限電流値ＵＩ及び下限電圧値ＬＶにより規定されている。この上限電流値ＵＩ及び下限電圧値ＬＶは、燃料電池システム１０側の正常動作を確保することを考慮して規定されたものであり、燃料電池２０の理論的に出力可能な最大電流値及び最低電圧値ではない。

「低電流域」とは、燃料電池２０の出力電流が比較的小さく出力電圧が比較的大きい領域である。低電流域は、例えば、電流値がゼロとなる地点から上限電流値ＵＩまでの間の領域の、前半の約４分の１の領域が相当する。低電流域は、燃料電池２０の電圧低下の要因である、活性化過電圧、抵抗過電圧、及び濃度過電圧のうち、主に活性化過電圧の影響により電圧が低下する領域である。「中電流域」とは、燃料電池２０の出力電流及び電圧が比較的中程度の領域である。中電流域は、主に抵抗過電圧の影響により電圧が低下する領域である。「高電流域」とは、燃料電池２０の出力電流が比較的大きく出力電圧が比較的小さい領域である。高電流域は、電流値がゼロとなる地点から上限電流値ＵＩまでの間の領域の、後半の約４分の１の領域が相当する。高電流域は、主に濃度過電圧の影響により電圧が低下する領域である。活性化過電圧とは、主にカソード電極での酸素の還元の際に消費される活性化エネルギーよる電圧の低下分である。抵抗過電圧とは、燃料電池２０内の電解質膜、触媒層、ガス拡散層、セパレータ、及び集電板の内部抵抗による電圧の低下分である。濃度過電圧とは、燃料電池２０のセルに供給される水分又はセル内で発生する生成水によるガス拡散抵抗の増大に起因した電圧の低下分である。

図２のフローチャートにおいて、ステップＳ１で否定判定がなされた場合には、制御ユニット６０は本制御を終了する。ステップＳ１で肯定判定がなされた場合には、湿潤推定部６２は、低電流域及び高電流域のそれぞれで出力電流値及び出力電圧値が取得されてから所定期間内に、ステップＳ１で取得された燃料電池２０の低電流域での所定の電流値における出力電圧値に基づいて燃料電池２０内の湿潤状態を推定する（ステップＳ２）。具体的には、湿潤推定部６２は、低電流域での基準電流値ＩＫにおける出力電圧値が閾値ＶＫ以上の場合には湿潤状態は過加湿と推定し、閾値ＶＫ未満の場合には湿潤状態は正常と推定する。湿潤状態が過加湿の場合とは、例えばフラッディングが発生している場合である。推定された湿潤状態は記憶部６５に記憶される。このように低電流域での出力電圧値が比較的高い場合には湿潤状態は過加湿と推定され、比較的低い場合には正常と推定される理由は、以下による。低電流域での出力電圧値が大きいほど、活性化過電圧が小さいことを意味する。活性化過電圧の低下は、燃料電池２０内の水分量の増大に起因するイオノマー内のイオン伝導の増大に関係していると考えられる。このため、低電流域での出力電圧値が大きいほど、燃料電池２０内の水分量が多くあると考えられるからである。図３では、出力電圧値Ｖ４は閾値ＶＫ以上であり、出力電圧値Ｖ１が閾値ＶＫ未満の場合を例示している。

尚、低電流域での出力電流値と出力電圧値を取得して高電流域での出力電流値と出力電圧値等を取得する前に湿潤状態を推定してもよい。即ち、低電流域及び高電流域でのそれぞれの出力電流値及び出力電圧値を、湿潤状態が推定された前後の所定期間内に取得すれば、その順序は問わない。上記の所定期間内とは、白金の被毒量の変化や湿潤状態の変化に起因する白金有効表面積の変化を無視できる程度の期間である。即ち、所定期間内とは、燃料電池２０の出力が上述のように変化した場合であっても白金有効表面積は大きく変化しないとみなせる期間である。

続いて、拡散抵抗算出部６３は、ステップＳ１で取得された低電流域及び高電流域のそれぞれの領域での出力電流値及び出力電圧値に基づいて、燃料電池２０内のガスの拡散抵抗を算出する（ステップＳ３）。具体的には以下の式１に基づき、拡散抵抗を算出する。
ガスの拡散抵抗＝（４Ｆ×Ｐｏ_２）／（１０ＲＴ×Ｉ）・・・式（１）
この式において、Ｆはファラデー定数である。Ｐｏ_２は、酸素分圧である。Ｒは気体定数である。Ｔは温度である。Ｉは、限界電流値であって、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）に多孔質流路を備えたガス拡散層を介してアノード極及びカソード極にそれぞれ水素ガス・空気を供給して０．１５Ｖの電圧が得られる場合の電流密度である。算出された拡散抵抗は、記憶部６５に記憶される。拡散抵抗とは、燃料電池２０内における酸化剤ガスの拡散の困難性を意味する。限界電流値は、ガス拡散抵抗を取得するために、所定の条件において拡散抵抗算出部６３が取得するものであり、詳しくは以下に述べる。

限界電流値は、図３に示した運転許容領域外にある。このため、以下のようにして取得される。拡散抵抗算出部６３は、ステップＳ１で取得された低電流域及び高電流域のそれぞれの領域での出力電流値及び出力電圧値に基づいて、燃料電池２０の電流電圧特性を把握する。次に拡散抵抗算出部６３は、複数のＩＶ曲線Ｃ１〜Ｃ４のうち把握された電流電圧特性に最も近似したＩＶ曲線を特定する。ＩＶ曲線Ｃ１〜Ｃ４は、燃料電池２０の運転状態毎に予め算出されて記憶部６５に記憶されている。尚、記憶部６５に記憶されているＩＶ曲線は４つに限定されない。拡散抵抗算出部６３は、特定されたＩＶ曲線と、あらかじめ記憶部６５に記憶されているＩＶ曲線と限界電流値の相関関係を規定したマップを参照して、限界電流値を取得する。図３は、理解を容易にするために、ＩＶ曲線Ｃ１〜Ｃ４にそれぞれ対応した限界電流値ＩＭ１〜ＩＭ４を示している。例えば、低電流域の出力電圧値Ｖ１と高電流域での出力電流値Ｉ１が取得された場合には、ＩＶ曲線Ｃ１が特定されて、限界電流値ＩＭ１が取得される。低電流域の出力電圧値Ｖ４と高電流域での出力電流値Ｉ４が取得された場合には、ＩＶ曲線Ｃ４が特定されて、限界電流値ＩＭ４が取得される。

従って、本実施例では、実際に燃料電池２０に限界電流値を出力させることなく、限界電流値が取得される。例えば実際に燃料電池２０に限界電流値を出力させると、限界電流値は発電のための最適な条件ではないため、発電効率が低下するおそれがある。また、最大出力が要求された際に燃料電池２０に限界電流値を出力させる場合、限界電流値を出力するまでに所定の期間を要し、出力の応答性が低下するおそれがある。このように、実際に燃料電池２０に限界電流値を出力させた場合には、運転に影響を与える可能性がある。本実施例では、このような問題を生じさせずに限界電流値が取得されるため、上記のような運転への影響を防止できる。尚、ステップＳ２及びＳ３の実行の順序は問わない。

続いて、表面積算出部６４は、記憶部６５に予め記憶された、拡散抵抗と白金有効表面積との対応関係を規定したマップを参照して、白金有効表面積を算出する（ステップＳ４）。図４は、記憶部６５に予め記憶された、拡散抵抗と白金有効表面積との対応関係を規定したマップの一例である。このマップは、予め実験により算出され記憶部６５に記憶されている。初期状態の燃料電池２０では、白金有効表面積は大きく拡散抵抗は小さい状態にあるため、両者の対応関係は図４のマップの右下に位置する。しかしながら、燃料電池２０の運転に伴う可逆的及び不可逆的な性能低下により、白金有効表面積は減少し拡散抵抗は増大して、両者の対応関係は図４のマップの左上に推移する。推移の仕方は、湿潤状態に応じて異なる。このため、図４に示したマップでは、湿潤状態に応じた複数の曲線Ｄ１及びＤ４を規定している。曲線Ｄ１及びＤ４は、それぞれ、燃料電池２０の湿潤状態が正常及び過加湿の場合での拡散抵抗と白金有効表面積との関係を規定している。拡散抵抗と白金有効表面積とは、下記理由により負の相関関係にある。拡散抵抗は、白金有効表面積が例えば白金の被毒により減少した場合には、反応に必要なガスが残された一部の白金表面に集中しようとするため、増大するからである。

曲線Ｄ１及びＤ４を参照すると、湿潤状態が正常の場合と過加湿の場合とで白金有効表面積が同じ場合には、過加湿の場合の方が拡散抵抗が大きいことを示している。過加湿の場合には、燃料電池２０内の水分量によりガスの拡散が阻害される、すなわち拡散抵抗が増大するからである。

表面積算出部６４は、ステップＳ２で推定された燃料電池２０の湿潤状態に基づいて曲線Ｄ１及びＤ４の何れかを選択し、選択された曲線上にステップＳ３で算出された拡散抵抗の値をプロットしたときの白金有効表面積を把握する。このようにして、燃料電池２０の湿潤状態を考慮して拡散抵抗に基づいて白金有効表面積を算出する。例えば、限界電流値ＩＭ１が取得され湿潤状態が正常と推定された場合には、曲線Ｄ１上に、限界電流値ＩＭ１に基づいて算出された拡散抵抗値Ｋ／ＩＭ１をプロットしたときの値を白金有効表面積Ｓ１として算出される。同様に、限界電流値ＩＭ４が取得され湿潤状態が過加湿と推定された場合には、曲線Ｄ４上に、限界電流値ＩＭ４に基づいて算出された拡散抵抗値Ｋ／ＩＭ４をプロットしたときの値を白金有効表面積Ｓ４として算出される。ここでＫは、係数であり、上記の式（１）に基づいて、Ｋ＝（４Ｆ×Ｐｏ２）／（１０ＲＴ）と規定される。尚、ステップＳ４で算出される白金有効表面積は、第２の推定値に相当する。

次に表面積算出部６４は、ステップＳ１で取得された低電流域での出力電圧値に基づいて、白金有効表面積を算出する（ステップＳ５）。図５は、低電流域での出力電圧値と白金有効表面積との対応関係を規定したマップである。このマップは、予め実験により算出されて記憶部６５に記憶されている。低電流域での出力電圧値と白金有効表面積とは略比例関係にあり、白金有効表面積も大きいほど、低電流域での出力電圧値が大きくなる。この理由は、低電流域での出力電圧値が大きいことは活性化過電圧が小さいことを意味し、白金への被毒量が少なく白金有効表面積が大きいほど、活性化過電圧が小さいからである。例えば、図５のマップの曲線上に出力電圧値Ｖ１をプロットしたときの値が白金有効表面積Ｓ１´として算出される。同様に、マップの曲線上に出力電圧値Ｖ４をプロットしたときの値が白金有効表面積Ｓ４´として算出される。尚、ステップＳ５で算出される白金有効表面積は、第１の推定値に相当する。

ここで、ステップＳ４及びＳ５でそれぞれ白金有効表面積Ｓ１及びＳ１´は、互いに異なる方法により算出されているため、値が異なっている場合が多い。白金有効表面積Ｓ４及びＳ４´についても同様である。従って、表面積算出部６４は以下の処理を実行する。

表面積算出部６４は、ステップＳ４及びＳ５に基づいて算出された白金有効表面積に基づいて、最終的な白金有効表面積を算出する（ステップＳ６）。具体的には、ステップＳ４及びＳ５においてそれぞれ算出された白金有効表面積の平均値が、最終的な白金有効表面積として算出される。最終的な白金有効表面積は、記憶部６５に記憶され、ステップＳ１〜Ｓ６の制御が繰り返し実行される毎に、記憶部６５に記憶された最終的な白金有効表面積が更新される。これにより制御ユニット６０は、記憶部６５に記憶された最終的な白金有効表面積に基づいて燃料電池２０の運転状態を制御できる。

以上のようにステップＳ４及びＳ５においてそれぞれ異なる方法により算出された白金有効表面積を用いて、最終的な白金有効表面積が算出されるので、算出精度の低下が抑制される。ここで、白金有効表面積は、燃料電池２０の電気化学反応、即ち燃料電池２０の出力性能を決定する要因の一つである。このため、算出精度の低下が抑制された白金有効表面積に基づいて燃料電池２０を最適に制御できる。また、製造コストの低減のためにカソード電極の白金の使用量を低減させた場合には、白金有効表面積の算出精度の低下を抑制することは重要である。

尚、最終的な白金有効表面積の算出は、ステップＳ４及びＳ５においてそれぞれ算出された白金有効表面積のうち、例えば、小さいほう又は大きいほうの白金有効表面積を、最終的な白金有効表面積として算出してもよい。また、例えば、ステップＳ４及びＳ５においてそれぞれ算出された白金有効表面積の一方に（１＋ｋ）を乗算した値と、他方に（１−ｋ）を乗算した値との平均値を最終的な白金有効表面積として算出してもよい。この場合、ｋは０＜ｋ＜１の値をとる定数である。

また、上述したように、ステップＳ４での白金有効表面積の算出に用いられる湿潤状態は、実際の燃料電池２０の運転中に取得できる低電流域での所定の電流値における出力電圧値に基づいて推定される。また、拡散抵抗は、低電流域及び高電流域でのそれぞれの出力電流値及び出力電圧値に基づいて算出される。ステップＳ５での算出においても、実際の燃料電池２０の運転中に取得できる低電流域での所定の電流値における出力電圧値に基づいて算出される。以上のように、実際の燃料電池２０の運転中に取得できる出力電流値及び出力電圧値に基づいて白金有効面積を算出するので、燃料電池２０の運転中でも精度よく触媒の有効表面積を推定できる。尚、ステップＳ４及びＳ５の実行の順序は問わない。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

湿潤状態の推定は、インピーダンスに基づいて推定してもよい。例えば、取得部６１が取得したインピーダンスの抵抗成分が所定の閾値以上の場合には湿潤状態は正常状態であると推定し、インピーダンスの抵抗成分が所定の閾値未満の場合には湿潤状態は過加湿状態であると推定してもよい。ここでインピーダンスは、例えば交流インピーダンス法を用いて燃料電池２０のインピーダンスの抵抗成分を測定する。燃料電池２０に印加する電流の周波数が大きい場合（ω＝∞）、インピーダンスは電解質膜抵抗であり、これによって湿潤状態を推定できる。

図４に示したように、湿潤状態が正常の場合と過加湿の場合とに対応した２つの曲線Ｄ１及びＤ４を示したが、湿潤状態毎に白金有効表面積と拡散抵抗との対応関係を湿潤状態毎に規定した曲線は、３つ以上あってもよい。この場合、より精度よく白金有効表面積を算出できる。

カソード触媒層における触媒は、純白金以外であってもよく、例えば白金合金であってもよい。

１０ 燃料電池システム
２０ 燃料電池
３０ 酸化剤ガス配管系
４０ 燃料ガス配管系
６０ 制御ユニット
６１ 取得部
６２ 湿潤推定部
６３ 拡散抵抗算出部
６４ 表面積算出部
６５ 記憶部

Claims (1)

1. カソード極及びアノード極を備えた燃料電池と、
   前記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
   前記アノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記燃料電池内の湿潤状態を推定する湿潤推定部と、
   前記燃料電池の低電流域及び高電流域のそれぞれでの出力電流値及び出力電圧値を、前記湿潤状態が推定された前後の所定期間内に取得する取得部と、
   取得された前記低電流域及び高電流域でのそれぞれの前記出力電流値及び出力電圧値に基づいて、前記燃料電池内の前記酸化剤ガスの拡散抵抗を算出する拡散抵抗算出部と、
   前記カソード極の触媒の有効表面積と前記拡散抵抗との対応関係を前記湿潤状態毎に規定したマップを記憶した記憶部と、
   取得された前記低電流域での所定の電流値における前記出力電圧値に基づいて前記有効表面積の第１の推定値を算出し、推定された前記湿潤状態及び算出された前記拡散抵抗に基づいて前記マップを参照して前記有効表面積の第２の推定値を算出して、前記第１の推定値及び前記第２の推定値に基づいて、前記有効表面積の最終的な推定値を算出する表面積算出部と、を備えた燃料電池システム。
   
   
   

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