JP4595367B2 - 燃料電池の劣化診断方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、組み付け作業や時間経過等による燃料電池の劣化を診断するための燃料電池の劣化診断方法及び装置の技術分野に関する。

この様な燃料電池の劣化診断方法の一つとして、交流インピーダンス法を利用した燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の燃料電池システム（以下、「従来の技術」と称する）によれば、燃料電池に対し、異なる２つの周波数をもった交流信号が印加され、夫々の周波数に対応する燃料電池のインピーダンスが算出される。従来の技術では、この算出されたインピーダンスに基づいて燃料電池のインピーダンスの周波数特性を演算し、周波数特性曲線を得ることによって、燃料電池の経時的な変化がリアルタイムに計測可能であるとされている。

特開２００３−８６２２０号公報

しかしながら、本願発明者の研究によれば、従来の技術は、以下に示す問題点を有する。

交流インピーダンス法によって得られる燃料電池のインピーダンスの軌跡は、完全な半円とはならない。従って、従来の技術に示される様に、２点の測定点から燃料電池のインピーダンスの周波数特性曲線を算出しようとしても、誤差が極めて大きく、精度の高い結果を得ることは困難である。また、対象とする周波数範囲で精細な測定を行えば、高精度な周波数特性曲線を得ることが可能であるが、多大な時間が必要であると共に、係る測定によって燃料電池は劣化する。即ち、従来の技術では、効率的且つ高精度に燃料電池の劣化を診断することは事実上不可能である。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、効率的且つ高精度に燃料電池の劣化を診断する燃料電池の劣化診断方法及び装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池の劣化診断方法は、予め定められた電流密度で駆動される燃料電池に対し、周波数Ｆ１、Ｆ２（Ｆ１＞Ｆ２）及びＦ３（Ｆ２＞Ｆ３）を含む少なくとも３つの測定周波数の交流信号を印加することにより、前記燃料電池における、前記測定周波数に夫々対応する少なくとも３つの複素インピーダンスを取得するインピーダンス取得工程と、
前記取得された複素インピーダンスから、前記測定周波数に夫々対応する前記燃料電池の少なくとも３つの抵抗値を特定する抵抗値特定工程と、
前記特定された抵抗値の所定関数である劣化診断要素に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する診断工程とを具備し、前記周波数Ｆ１は、前記複素インピーダンスを規定する、前記抵抗値を表す第１軸、及び前記第１軸に直交すると共に容量値を表す第２軸を有する座標平面上で、前記測定周波数を含む測定周波数範囲で描かれる前記複素インピーダンスの周波数特性曲線と前記第１軸との交点であって、且つ前記燃料電池における直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されており、前記周波数特性曲線は、一部が円弧をなすと共に第１の要因が支配的な第１の領域、及び一部が円弧をなすと共に第１の要因とは異なる第２の要因が支配的な第２の領域を有し、前記周波数Ｆ２は、前記第１の領域内で決定され、前記周波数Ｆ３は、前記第２の領域内で決定され、前記周波数Ｆ２及びＦ３は、前記第１の領域及び前記第２の領域の夫々における前記円弧の頂点又は該頂点近傍の点に相当する周波数であり、前記劣化診断要素は、前記周波数Ｆ１、Ｆ２及びＦ３の夫々に対応する前記抵抗値を夫々Ｒ１、Ｒ２及びＲ３とした場合に、Ｒ１、Ｒ２−Ｒ１、及びＲ３−２Ｒ２＋Ｒ１という３つの劣化診断要素を含むことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池の劣化診断方法によれば、インピーダンス取得工程において、予め定められた電流密度で駆動される燃料電池に対し少なくとも３つの測定周波数の交流信号が印加され、夫々の測定周波数に対応する少なくとも３つの複素インピーダンスが取得される。

ここで、本発明に係る「燃料電池」とは、燃料電池セルであっても、一定数量の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックであっても構わない。

複素インピーダンスは、実部である抵抗値と、虚部である容量値で表現され、抵抗値特定工程においては、この抵抗値が測定周波数毎に少なくとも３つ特定される。そして、診断工程では、劣化診断要素に基づいて燃料電池の劣化が診断される。

ここで、「劣化診断要素」とは、係る抵抗値の所定関数として規定される値である。劣化診断要素は、例えば、抵抗値自体、抵抗値に何らかの四則演算が施されたもの、又は複数の抵抗値間で何らかの演算規則に基づいて演算がなされたもの等、抵抗値の関数である限り如何なる値であってもよい。即ち、「所定の関数」とは、この様な何らかの演算規則等の結果得られる値を指す概念である。劣化診断要素は、一つであっても、複数であってもよく、本発明に係る燃料電池の劣化を診断可能な限りにおいて、その数量は限定されない。

診断工程においては、係る劣化診断要素に基づいて燃料電池の劣化が診断される。ここで、本発明に係る「劣化」とは、例えば、燃料電池セルをスタックに組み付ける際に生じる接触抵抗の増加、ガス拡散不足、触媒活性低下、又は触媒有効利用率低下等の劣化や、経時変化によって燃料電池内部に生じた物理的又は化学的な劣化を含み、燃料電池において何らかの機能の低下を招く、又は招く可能性を有する現象全てを含んで規定される。

本発明において、「診断する」とは、劣化診断要素に基づいて、定性的若しくは定量的、又は経験的、実験的若しくはシミュレーション等によって燃料電池の劣化状態を診断する趣旨で規定される。

例えば、予め劣化診断のための基準値と劣化診断要素の値とを比較することによって燃料電池の劣化を診断してもよい。また、この様な基準値を複数設けることによって、燃料電池の劣化状態が多段階に診断されてもよい。更には、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの全てについてこの様な診断を実行し、燃料電池セル毎に得られた劣化診断要素を当該セル間で比較することによって、比較的に劣化又は異常があると推定されるセルを抽出する様な処理であってもよい。この様な態様では、実使用される前段階で異常なセルを除去、調整、又は修理することが可能となって効率的である。

ここで、特に、本発明に係る診断工程においては、劣化診断要素に基づいて劣化を診断するため、従来技術の如くインピーダンスの周波数特性曲線を実測又は演算によって取得する必要が生じない。また、測定周波数が少なくとも３つあるため、どの様な周波数特性曲線を有する燃料電池にも比較的に対応可能であり、従来技術の如き誤差が生じる可能性もない。また、その様な誤差が生じないように、劣化診断要素における前述の「所定の関数」を適切に設定することも容易に可能である。従って、高効率且つ高精度に燃料電池の劣化を診断することが可能となるのである。
また、本発明に係る燃料電池の劣化診断方法においては、前記周波数Ｆ１は、前記複素インピーダンスを規定する、前記抵抗値を表す第１軸、及び前記第１軸に直交すると共に容量値を表す第２軸を有する座標平面上で、前記測定周波数を含む測定周波数範囲で描かれる前記複素インピーダンスの周波数特性曲線と前記第１軸との交点であって、且つ前記燃料電池における直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されている。
この様な座標平面は、複素インピーダンス平面とも称される。この座標平面上に燃料電池の複素インピーダンスをプロットする場合、このプロットの周波数変化の軌跡が、即ち、ここで述べられる「周波数特性曲線」となる。この周波数特性曲線は、「コール・コールプロット」とも呼ばれている。この周波数特性曲線をある周波数範囲で描く際、この曲線は第１軸、即ち抵抗値を規定する軸とある周波数で交差する。本態様において、周波数Ｆ１は、この交差点であって、且つ燃料電池の直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されている。ここで「直流抵抗」とは、典型的には接触抵抗である。
この直流抵抗を与える周波数Ｆ１は、燃料電池が経時変化に晒されても変化することが無いとされているため、劣化診断の精度を高め得る周波数の一つとなっている。即ち、燃料電池に何らかの変化が生じた際に周波数Ｆ１において特定される抵抗値の差分は、そのまま劣化の程度を示す一つの指針となるので、劣化診断を高精度に行うことが可能となる。
尚、係る周波数Ｆ１は、予め経験的、又はシミュレーション等によって与えられる性質のものであってもよいし、ある燃料電池において取得された周波数特性に基づいて与えられてもよい。通常、燃料電池において、構成、構造、又は仕様が等しければ、未使用状態におけるインピーダンスの周波数特性は一定か又は大きな差異は無い程度であり、従って、リファレンスとなるべき周波数特性が知れていれば十分である。従って、従来技術の様に測定毎に周波数特性を取得する必要は全くなく、燃料電池の劣化は問題視される程度には生じない。
更に、本発明に係る燃料電池の劣化診断方法においては、前記周波数特性曲線は、一部が円弧をなすと共に第１の要因が支配的な第１の領域、及び一部が円弧をなすと共に第１の要因とは異なる第２の要因が支配的な第２の領域を有し、前記周波数Ｆ２は、前記第１の領域内で決定され、前記周波数Ｆ３は、前記第２の領域内で決定される。
周波数特性曲線は、既に述べた様に複雑な形状を有しており、一般に真円とはならない。また、燃料電池を駆動する際の電流密度によってもこの周波数特性曲線の形状は変化する。この周波数特性曲線には、第１の要因が支配的な第１の領域と、第２の要因が支配的な第２の領域とがあるとされており、それら領域の重なり方の違によって、周波数特性の形状も変化する。
ここで、第１の要因とは、例えば、燃料電池内において酸素が反応する際の反応抵抗であると考えられ、第２の要因とは、例えば、燃料電池内における酸素の拡散に関する抵抗であると考えられる。電流密度条件によっては、これら二つの領域が、例えば、一部円弧状となることによって識別可能となることがある。そこで、この二つの領域から、夫々周波数Ｆ２及びＦ３を選択することによって、燃料電池の劣化が、如何なる要因に起因するものかの判別が容易となる。尚、周波数Ｆ２及びＦ３が、夫々異なる要因が支配的とされる領域から選択される限りにおいて、実際に燃料電池の劣化診断に供する電流密度は限定されない。
更に、本発明に係る燃料電池の劣化診断方法においては、前記周波数Ｆ２及びＦ３は、前記第１の領域及び前記第２の領域の夫々における前記円弧の頂点又は該頂点近傍の点に相当する周波数である。
周波数Ｆ２及びＦ３は、異なる要因が支配的とされる領域から選択される限り、上述の効果は担保されるものであるが、例えば、夫々の領域に現れる円弧の頂点にこれら周波数を規定することもできる。この場合、前述の直流抵抗と同様、円弧の頂点を与える周波数は、燃料電池に生じた劣化の影響を受けず保存される。従って、燃料電池の劣化診断に際してその誤差が生じにくく、高精度な劣化診断が可能となるのである。
尚、ここで述べられる「頂点近傍」とは、厳密に頂点である必要はないとの趣旨であり、周波数特性曲線において、円弧の頂点として認識しうる点を全て含んで規定される。
更に、本発明に係る燃料電池の劣化診断方法においては、前記劣化診断要素は、前記周波数Ｆ１、Ｆ２及びＦ３の夫々に対応する前記抵抗値を夫々Ｒ１、Ｒ２及びＲ３とした場合に、Ｒ１、Ｒ２−Ｒ１、及びＲ３−２Ｒ２＋Ｒ１という３つの劣化診断要素を含む。
ここで、Ｒ１とは、即ち、前述した直流抵抗の値である。ここで、特に、Ｆ２及びＦ３を夫々異なる要因が支配的な領域から選択した場合には、Ｒ２−Ｒ１の値によって第１の要因に係る劣化の度合いが、Ｒ３−２Ｒ２＋Ｒ１の値によって第２の要因に係る劣化の度合いが夫々容易に診断可能となる。従って、極めて高効率且つ高精度に劣化の診断が可能となるのである。

本発明に係る燃料電池の劣化診断方法の一の態様において、前記診断工程は、前記診断工程は、前記劣化診断要素の値の前回値との比較に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する。

燃料電池は、時間経過と共に、その程度を問わず何らかの劣化を生じることが多いから、異なる時刻において取得される燃料電池のインピーダンスには、何らかの経時変化が生じる。従って、この様な経時変化を何らかの形で取得することができれば、燃料電池に経時的に生じた劣化を診断することが可能となる。ここで、燃料電池においてインピーダンスに変化が生じるならば、このインピーダンスに対応する抵抗値、更には係る抵抗値の所定関数である劣化診断要素の値にも変化が生じる。詰まり、劣化診断要素の値の経時変化を規定する前回値との比較に基づいて、燃料電池の劣化を診断することができる。尚、この様な経時変化において、時間経過の大小は何ら限定されるものではなく、例えば、自動車等においては、定期点検のタイミング間隔であってもよいし、単に異なる二つの時刻間として規定されてもよい。この態様によれば、燃料電池に生じた経時劣化を簡便に診断することが可能である。

本発明に係る燃料電池の劣化診断方法の他の態様では、前記診断工程は、前記劣化診断要素の値と基準値との相対比較に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する。

ここで述べられる「基準値」とは、劣化診断要素の値と比較可能である限りにおいて何らの限定を受けるものではない。予め、係る基準値となり得る数値が、経験的に、又はシミュレーション等によって判明している場合にはその様な数値であってもよいし、任意の時刻に行われた劣化の診断における劣化診断要素の値であってもよい。

この態様によれば、劣化診断要素の値を基準値と比較することによって劣化の診断が可能となるから、明確且つ速やかに燃料電池の劣化を診断することが可能である。

また、この態様では、前記基準値は、初期又は基準時期に実行された前記診断工程における前記劣化診断要素の値であってもよい。

ここで、「初期」とは、燃料電池の本格的な発電の前段階を指す。この様な段階において燃料電池の劣化診断を行った際に得られる劣化診断要素の値を、例えば、基準値又はリファレンス値とすることによって、燃料電池の劣化を速やかに診断することが可能である。

本発明に係る燃料電池の劣化診断方法の他の態様では、前記燃料電池に対し、予め前記周波数特性曲線を取得する特性取得工程を更に具備し、前記周波数Ｆ１、Ｆ２及びＦ３は、前記取得された周波数特性曲線に基づいて決定される。

この態様によれば、特性取得工程において、燃料電池のインピーダンスの周波数特性曲線が取得される。但し、この周波数特性曲線は、周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３を決定するためのものであって、周波数特性曲線を取得すること自体が目的のものではないから、燃料電池の劣化を促進しない程度に実施することが可能である。また、測定周波数が決定された後は、係る周波数特性を取得する必要は生じないので、燃料電池の劣化が生じる可能性は少ない。一方で、この様に予め周波数特性を取得した上で、測定周波数を決定することによって、適切な測定周波数を選択することが可能となるので非常に効果的である。

周波数Ｆ_１が直流抵抗を規定する点に相当する周波数である燃料電池の劣化診断方法の他の態様では、前記測定周波数は、周波数Ｆ_４（Ｆ_３＞Ｆ_４）を含み、前記周波数Ｆ_４は、前記周波数特性曲線と前記第１軸との交点に相当する周波数である。

この態様では、周波数Ｆ_４を測定周波数として備える。周波数Ｆ_４は、周波数特性曲線と第１軸との交点であって、直流抵抗Ｒ_１とは異なる交点である。この様に測定周波数を増やすことによって、周波数特性曲線の近似精度が向上するので、一層燃料電池の劣化診断に係る精度が向上する。この様に測定周波数に周波数Ｆ_４を含む場合には、この周波数Ｆ_４に相当する抵抗値をＲ_４とすると、例えば、Ｒ_４をダイレクトに比較することによって、燃料電池の劣化診断に供することが可能である。

本発明に係る燃料電池の劣化診断方法の他の態様では、前記燃料電池の劣化を診断した結果、前記燃料電池が劣化している場合に、前記劣化している燃料電池の存在を通知する通知工程を更に具備する。

燃料電池が、例えば、自動車等に搭載されている場合には、定期的な点検整備や、走行距離に基づく点検整備だけでは、実使用上問題のあるレベルまで劣化が進行してしまう場合が考えられる。その様な場合、当該搭載状態において、例えば、自動的に、又は一定の期間毎に本発明に係る燃料電池の劣化診断を実施してもよい。

この態様は係る際に特に好適であって、劣化診断工程の結果、燃料電池が何らかの劣化状態にある場合には、通知工程によって、その旨が通知されるので、リアルタイムに燃料電池の劣化の有無を知ることが可能となる。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池の劣化診断装置は、予め定められた電流密度で駆動される燃料電池に対し、周波数Ｆ１、Ｆ２（Ｆ１＞Ｆ２）及びＦ３（Ｆ２＞Ｆ３）を含む少なくとも３つの測定周波数の交流信号を印加することにより、前記燃料電池における、前記測定周波数に夫々対応する少なくとも３つの複素インピーダンスを取得するインピーダンス取得手段と、前記取得された複素インピーダンスから、前記測定周波数に夫々対応する前記燃料電池の少なくとも３つの抵抗値を特定する抵抗値特定手段と、前記特定された抵抗値の所定関数である劣化診断要素に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する診断手段とを具備し、前記周波数Ｆ１は、前記複素インピーダンスを規定する、前記抵抗値を表す第１軸、及び前記第１軸に直交すると共に容量値を表す第２軸を有する座標平面上で、前記測定周波数を含む測定周波数範囲で描かれる前記複素インピーダンスの周波数特性曲線と前記第１軸との交点であって、且つ前記燃料電池における直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されており、前記周波数特性曲線は、一部が円弧をなすと共に第１の要因が支配的な第１の領域、及び一部が円弧をなすと共に第１の要因とは異なる第２の要因が支配的な第２の領域を有し、前記周波数Ｆ２は、前記第１の領域内で決定され、前記周波数Ｆ３は、前記第２の領域内で決定され、前記周波数Ｆ２及びＦ３は、前記第１の領域及び前記第２の領域の夫々における前記円弧の頂点又は該頂点近傍の点に相当する周波数であり、前記劣化診断要素は、前記周波数Ｆ１、Ｆ２及びＦ３の夫々に対応する前記抵抗値を夫々Ｒ１、Ｒ２及びＲ３とした場合に、Ｒ１、Ｒ２−Ｒ１、及びＲ３−２Ｒ２＋Ｒ１という３つの劣化診断要素を含むことを特徴とする。

係る劣化診断装置によれば、上述した様な劣化診断を実行することが可能となるので、燃料電池の劣化を効率的且つ高精度に診断することが可能である。

本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態により明らかにされる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池の劣化診断方法について説明する。
＜実施形態＞
＜測定システム１００の構成＞
始めに、本実施形態に係る燃料電池の劣化診断方法を実現するための測定システムについて、図１を参照して説明する。ここに、図１は、測定システム１００の回路構成図である。

図１において、測定システム１００は、燃料電池セル１０に対し、本発明に係る「燃料電池の劣化診断装置」の一例たる測定装置１１０が接続されてなる。

燃料電池セル１０は、本発明に係る「燃料電池」の一例であり、固体高分子型燃料電池の一セルである。本実施形態において、燃料電池セル１０は、Ｎ個の燃料電池セル１０が積層されてなる不図示の燃料電池スタックの一構成要素である。ここで、燃料電池セル１０について、図２を参照して説明する。ここに、図２は、燃料電池セル１０の断面構造図である。例えばサービスステーションなどの点検設備や自宅ガレージ等における、燃料電池セル１０の定期点検時、設置時、故障時等に、測定装置１１０は、燃料電池セル１０に図１の如くに接続される。

図２において、燃料電池セル１０は、紙面に垂直な方向に面的に広がるイオン交換膜からなる電解質膜１１を有する。電解質膜１１の一方面には、触媒層１２及び拡散層１３からなるアノード電極１４が形成されており、他方面には、触媒層１５及び拡散層１６からなるカソード電極１７が形成されている。このアノード電極１４、カソード電極１７及びこれら両極に挟持される電解質膜１１とは、膜−電極アセンブリ（Membrane-Electrode Assembly）１８を形成する。

燃料ガス流路１９は、アノード電極１４に対し、燃料ガス（通常は水素ガス）を供給する流路である。酸化剤ガス流路２０は、カソード電極１７に対し、酸化剤ガス（通常は空気）を供給する流路である。尚、燃料ガス流路１９は、図２中で紙面に垂直な方向に延在すると共に並列に配列された複数の部分流路を含んでなるか、又は直列に蛇行して延びる１本の流路からなる。酸化剤ガス流路２０も同様に複数の部分流路を含んでなるか、又は蛇行して延びる流路からなる。更に、燃料ガス流路１９及び酸化剤ガス流路２０は相互に、交差する方向に延在していてもよい。膜−電極アセンブリ１８、燃料ガス流路１９及び酸化剤ガス流路２０は、燃料電池セル１０をそれに隣接する不図示の燃料電池セルから分離するためのセパレータ２１によって両側から覆われている。セパレータ２１の両端には、冷媒流路２２が形成されている。冷媒流路２２についても、複数の部分流路を含んでなるか、又は蛇行して延びる流路からなる。

上記構成において、拡散層１３に供給される水素ガスが触媒層１２によって電子と水素イオンに分離される。係る電子は、アノード電極１４から図示略の外部回路と通ってカソード電極１７に到達すると共に、水素イオンは、電解質膜１１を通ってカソード電極１７に移動する。一方、カソード電極１７では、拡散層１６に供給される空気内の酸素分子が、外部回路を通ってきた電子を受け取って酸素イオンとなると共に、更に水素イオンと結合して水となって排出される。燃料電池セル１０では、この様にして発電が行われる。

尚、前述の燃料電池スタックが構成される際には、セパレータ２１に設けられた冷媒流路２２同士が対面する様に、即ち、冷媒流路２２が隣接する２個の燃料電池セル１０間で共有される様に積層される。

図１に戻り、測定装置１１０は、燃料電池セル１０のアノード電極１４とカソード電極１７との間に直列に接続された交流信号源１１１及び負荷１１２、負荷１１２と並列に挿入されたインピーダンスアナライザ１１３、並びにインピーダンスアナライザ１１３に接続された劣化診断部１１４を備える。

インピーダンスアナライザ１１３は、インピーダンス測定部１１３ａと抵抗値特定部１１３ｂを備える。インピーダンス測定部１１３ａは、交流信号源１１１の周波数に対応した燃料電池セル１０の複素インピーダンスを順次測定することが可能であり、本発明に係る「インピーダンス取得手段」の一例として機能する、或いは、本発明に係る「インピーダンス取得工程」の一例を実行する。

抵抗値特定部１１３ｂは、インピーダンス測定部１１３ａによって測定された複素インピーダンスの夫々に対応する抵抗値を順次特定することが可能であり、本発明に係る「抵抗値特定手段」の一例として機能する、或いは、本発明に係る「抵抗値特定工程」の一例を実行する。

劣化診断部１１４は、交流信号源１１１、インピーダンスアナライザ１１３及び劣化診断部１１４の後述する各部を夫々上位制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）１１５、及びメモリ１１６を備える。メモリ１１６は、抵抗値特定部１１３ｂによって特定された燃料電池セル１０の前述の抵抗値を、ＣＰＵ１１５の制御に従って格納（記憶）することが可能な、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の不揮発性の記憶媒体である。劣化診断部１１４は、本発明に係る「診断手段」の一例として機能する。

尚、アノード電極１４及びカソード電極１７と、測定装置１１０とは、例えば、これら両極の夫々に設けられた集電板を介して接続されていてもよい。

係る構成の下、一定の電流密度で駆動される燃料電池セル１０に対して、交流信号源１１１から交流信号が印加されると共に、インピーダンスアナライザ１１３によって、その交流信号の周波数における燃料電池セル１０の複素インピーダンスが順次測定され、その複素インピーダンスの夫々に対応した抵抗値が特定される。劣化診断部１１４では、この抵抗値に基づいて後述する劣化診断処理が実行される。

尚、測定システム１００は、ＣＰＵ１１５が、測定対象となる燃料電池セル１０をＮ個のセルについて順次切り替えて測定できる様に構成されているが、図１においては、単一の燃料電池セル１０のみが示されている。
＜劣化診断処理の詳細＞
＜Ａ：初期劣化診断処理の詳細＞
次に、本実施形態に係る劣化診断処理の一態様である、初期劣化診断処理の詳細について、図３を参照して説明する。ここに、図３は、初期劣化診断処理のフローチャートである。尚、係る初期劣化診断処理は、例えば、燃料電池スタックを出荷する前段階において、燃料電池スタックを構成するＮ個の燃料電池セル１０の初期劣化（不良）を診断する処理である。

図３において、最初に、インピーダンス測定を行うための交流信号源１１１の周波数が決定される（ステップＳ２０１）。具体的には、ＣＰＵ１１５が、任意の一燃料電池セル１０に対し、交流インピーダンス法に基づくインピーダンス測定を実行する。即ち、ステップＳ２０１は、本発明に係る「特性取得工程」の一例である。

ここで、ステップＳ２０１の詳細について、図４を参照して説明する。ここに、図４は、燃料電池セル１０におけるインピーダンスの周波数特性曲線２００の模式図である。

図４において、Ｘ軸は抵抗値を表しており、Ｙ軸は容量値を表している。周波数特性曲線２００は、周波数Ｆ_１及びＦ_４においてＸ軸と交差しており、夫々の交点の読み値、即ち抵抗値はＲ_１及びＲ_４となっている。この内、高周波側の交点である抵抗値Ｒ_１は、燃料電池セル１０の直流抵抗を表している。

また、周波数特性曲線２００は、二つの領域に区別することができる。高周波側の第１の領域は、燃料電池セル１０において、酸素が反応する際の反応の抵抗が主要因となってインピーダンスが決定されると考えられる領域であり、本発明に係る「第１の要因が支配的な第１の領域」の一例である。また、低周波側の第２の領域は、酸素が拡散する際の抵抗が主要因となってインピーダンスが決定されると考えられる領域であり、本発明に係る「第２の要因が支配的な第２の領域」の一例である。この二つの領域は、夫々一部が円弧形状をなしている。

図４において、周波数Ｆ_２は、第１の領域における、この円弧の頂点付近に相当する周波数であり、同様に周波数Ｆ_３は、第２の領域における円弧の頂点付近に相当する周波数である。周波数Ｆ_２及びＦ_３に夫々対応する抵抗値は、夫々Ｒ_２及びＲ_３となっている。

本実施形態においては、ＣＰＵ１１５により、燃料電池セル１０の測定周波数として、これら３つの周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３が選択される。

尚、測定周波数は、周波数特性曲線２００上の如何なる点であっても構わない。例えば、周波数特性曲線２００における抵抗値Ｒ_４に対応する周波数Ｆ_４（即ち、本発明に係る「周波数Ｆ_４」の一例）であっても構わない。但し、直流抵抗を規定する点（即ち、抵抗値Ｒ_１）に相当する周波数、第１の領域の円弧上の頂点及び第２の領域の円弧上の頂点に夫々相当する周波数は、劣化の進行の有無に因らず概ね保存されるため、高精度に劣化の診断を行うに好適である。

また、ステップＳ２０１において、周波数特性曲線２００は、測定周波数を決定するために取得される性質のものであり、当該決定が可能な限りにおいて、測定周波数範囲、及び測定周波数間隔の大小は問われない。更に、この様な周波数特性曲線２００の取得は、任意の一燃料電池セル１０についてのみ行われれば良く、従って、ステップＳ２０１に係るインピーダンス測定によって、燃料電池セル１０の劣化は進行しない。換言すれば、係る劣化を進行させない範囲で、ステップＳ２０１は実行される。

尚、測定周波数は、この様な実測を伴わず、例えば、シミュレーション等によって予め決定されていてもよい。また、既に述べた様に、仕様が同じであれば燃料電池セル間でインピーダンス特性に差異は生じにくいから、本実施形態に係る燃料電池セル１０のインピーダンスの周波数特性曲線に代替され得るデータ等が予め得られているならば、その様なデータに基づいて測定周波数が決定されてもよい。

図３に戻り、測定周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３が決定されると、ＣＰＵ１１５は、処理対象となる燃料電池セル１０を示すカウンタｉを「１」にセットし（ステップＳ２０２）、更に、測定周波数を示すカウンタｇを「１」にセットする（ステップＳ２０３）。

次に、ＣＰＵ１１５は、ｉ番目の燃料電池セル１０における、ｇ番目の周波数（即ち、周波数Ｆ_ｇ）に対応するインピーダンスＺ_ｇを測定する（ステップＳ２０４）。例えば、ここでは、１番目の燃料電池セル１０における周波数Ｆ_１のインピーダンスＺ_１が測定される。ステップＳ２０４は、本発明に係る「インピーダンス取得工程」の一例である。

インピーダンスＺ_ｇが測定されると、ＣＰＵ１１５は、Ｚ_ｇに対応する抵抗値Ｒ_ｇを特定する（ステップＳ２０５）と共に、その値を、メモリ１１６に格納する（ステップＳ２０６）。メモリ１１６では、係る抵抗値Ｒ_ｇが、ｉ番目の燃料電池セル１０におけるｇ番目の周波数に対応する抵抗値として格納される。尚、ステップＳ２０５は、本発明に係る「抵抗値特定工程」の一例である。

次に、ＣＰＵ１１５は、カウンタｇを「１」インクリメントする（ステップＳ２０７）と共に、カウンタｇの値が「４」であるか、即ち、ステップＳ２０１において決定された３つの測定周波数について、インピーダンスの測定が終了したか否かを判別する（ステップＳ２０８）。

測定が終了していない周波数がある場合（ステップＳ２０８：ＮＯ）、ＣＰＵ１１５は、処理をステップＳ２０４まで戻し、ステップＳ２０４からステップＳ２０８に至る処理が繰り返される。こうして、ｉ番目の燃料電池セル１０において、全ての測定周波数（Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３）に対応する抵抗値Ｒ_ｇがメモリ１１６に格納されると（ステップＳ２０８：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１１５は、メモリ１１６に格納された抵抗値Ｒ_ｇから、劣化診断要素を演算する（ステップＳ２０９）。尚、この時点でメモリ１１６に格納されたＲ_ｇとは、即ち、前述の直流抵抗Ｒ_１、第１の領域における円弧の頂点に相当する抵抗値Ｒ_２及び第２の領域における円弧の頂点に相当する抵抗値Ｒ_３のことである。

本実施形態において、劣化診断要素は、これらＲ_１、Ｒ_２及びＲ_３を用いて、「Ｒ_１」、「Ｒ_２−Ｒ_１」及び「Ｒ_３−２Ｒ_２＋Ｒ_１」と規定される。ＣＰＵ１１５は、これら３つの劣化診断要素の演算が終了すると、これらの値をメモリ１１６に格納する。（ステップＳ２１０）。メモリ１１６は、格納された劣化診断要素の値を、ｉ番目の燃料電池セル１０に対する劣化診断要素の値として格納する。尚、劣化診断要素は、ここで例示する態様に限定されず、抵抗値Ｒ_ｇの何らかの関数として表される値であればよい。但し、本実施形態に係る劣化診断要素は、劣化の要因をある程度特定可能に設定されているので効果的である。尚、測定周波数として、前述の周波数Ｆ_４が更に選択されている場合には、周波数Ｆ_４に対応する抵抗値Ｒ_４をダイレクトに比較することによって、劣化の有無を判定してもよい。

次にＣＰＵ１１５は、カウンタｉを「１」インクリメントすると共に、カウンタｉの値が「Ｎ＋１」であるか、即ち、全Ｎ個の燃料電池セル１０に対して、劣化診断要素の演算が終了したか否かを判別する（ステップＳ２１２）。

劣化診断要素の演算が実行されていない燃料電池セル１０がある場合、（ステップＳ２１２：ＮＯ）、ＣＰＵ１１５は、処理をステップＳ２０３まで戻すと共に、ステップＳ２０３からステップＳ２１２までの処理を、全Ｎ個の燃料電池セル１０について繰り返す。Ｎ個の燃料電池セル１０について、劣化診断要素の演算が終了し、それらが、夫々燃料電池セル１０と個別に対応付けられる形でメモリ１１６に格納されると（ステップＳ２１２：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１１５は、全ての燃料電池セル１０間で、劣化診断要素の値を比較する（ステップ２１３）。

ＣＰＵ１１５は、劣化診断要素の値の比較結果に基づいて、劣化したセルがあるか否かを診断する（ステップＳ２１４）。劣化を診断するに際し、ＣＰＵ１１５は、全Ｎ個のセル間で、個々の劣化診断要素の値の平均値を計算する。係る平均値からの偏差が大きい劣化診断要素を有する燃料電池セル１０が、即ち、劣化していると診断される。尚、ステップＳ２１４における劣化診断の基準は、劣化診断要素の比較に基づいてなされる限り如何なるものであってもよい。事前に、経験的又はシミュレーション等によって、劣化診断の基準値が与えられており、当該基準値と個々のセルの劣化診断要素の値を比較することによって劣化の診断がなされてもよい。また、劣化診断に供する偏差の大小は自由に決定されてよい。

この様に診断された結果判明する燃料電池セル１０の劣化は、例えば、実使用による経時劣化とは異なり、燃料電池セル１０をスタックに組み付ける際に個々の燃料電池セル１０に生じる初期劣化が主である。この様な初期劣化としては、例えば、接触抵抗の増加、ガス拡散不足、触媒活性低下、又は触媒有効利用率低下等の劣化などが挙げられる。尚、ステップＳ２１４は、本発明に係る「診断工程」の一例である。

ＣＰＵ１１５は、劣化している燃料電池セル１０が無いと診断した場合には（ステップＳ２１４：ＮＯ）、現時点でメモリ１１６に格納されている個々の燃料電池セル１０の劣化診断要素の値を、リファレンスの劣化診断要素の値として改めて格納する（ステップＳ２１８）。

また、ＣＰＵ１１５は、劣化している燃料電池セル１０があると判断した場合（ステップＳ２１４：ＹＥＳ）、劣化していると判断された燃料電池セル１０の存在を外部に通知する（ステップＳ２１５）。この際、劣化と判定された燃料電池セル１０を特定する情報（例えば、セル番号等）が一緒に通知される。即ち、ステップＳ２１５は、本発明に係る「通知工程」の一例である。

劣化が通知された燃料電池セル１０は、例えば、修復又は交換等がなされた（ステップＳ２１６）後、再診断される（ステップＳ２１７）。具体的には、当該セルに対してのみステップＳ２０３からステップＳ２１０に亘る処理が再実行され、新たに得られた劣化診断要素の値に基づいて新たにセル間の劣化診断要素の値の平均値が算出されて劣化が診断される。係る処理は、劣化しているセルが無いと診断されるまで繰り返される。尚、図面の煩雑化を防ぐ目的から、図３において、係る再診断処理の繰り返しに係る部分は省略されている。

最終的に、全Ｎ個の燃料電池セルについて、劣化が無いと診断されると、処理はステップＳ２１８に移行する。ＣＰＵ１１５は、その時点における個々の燃料電池セル１０における劣化診断要素の値を、最終的な劣化診断要素の値、即ち、リファレンスの劣化診断要素の値としてメモリ１１６に格納し、初期劣化診断処理が終了する。
＜Ｂ：経時劣化診断処理の詳細＞
燃料電池セル１０は、前述した如き初期劣化に加え、時間経過と共にある程度劣化する。次に、この様な経時的な劣化を診断するための、本実施形態に係る劣化診断処理の他の態様である経時劣化診断処理について、図５を参照して説明する。ここに、図５は、経時劣化診断処理のフローチャートである。尚、同図において、図３と重複する箇所には、同一の符号を付してその説明を省略する。また、この経時劣化診断処理が実行されるタイミングは、燃料電池セル１０又は燃料電池スタックの仕様用途や使用状況に応じて異なる。

図５において、ステップＳ２０２からステップＳ２１０に至る処理は、図３と同じである。尚、経時劣化診断処理において、測定周波数は前述の初期劣化診断処理と等しいため、測定周波数を改めて決定する必要はない。

図５において、ｉ番目の燃料電池セル１０における劣化診断要素がメモリ１１６に格納されると（ステップＳ２１０）、ＣＰＵ１１５は、メモリ１１６に格納されている、この燃料電池セル１０のリファレンスの劣化診断要素の値と、この劣化診断要素の値とを比較し（ステップＳ３０１）、ｉ番目の燃料電池セル１０が劣化しているか否かを診断する（ステップＳ３０２）。この際、その時点で得られた劣化診断要素の値とリファレンスの劣化診断要素の値との偏差に基づいて劣化の診断が行われる。尚、燃料電池セル１０が劣化していると判断される偏差の基準値は、予め参照値として与えられていてもよい。

ｉ番目の燃料電池セル１０が劣化していると診断された場合（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１１５は、そのセル番号をメモリ１１６に一時的に格納する（ステップＳ３０３）と共に処理をステップＳ２１１に移行させる。一方、ｉ番目の燃料電池セル１０が劣化していないと判断した場合（ステップＳ３０２：ＮＯ）には、処理をそのままステップＳ２１１に移行させる。

ステップＳ２１１によってカウンタｉがインクリメントされると、全Ｎ個の燃料電池セル１０に対して経時劣化の有無が診断されたか否かが判別される（ステップＳ２１２）。経時劣化の診断が実行されていない燃料電池セル１０が存在する場合には（ステップＳ２１２：ＮＯ）、全Ｎ個の燃料電池セル１０に対して経時劣化の有無が診断処理されるまでステップＳ２０３からステップＳ２１２に至る処理が繰り返されると共に、全Ｎ個の燃料電池セル１０に対して経時劣化の有無が診断されると（ステップＳ２１２：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１１５は、メモリ１１６に格納された、経時劣化があると診断された燃料電池セル１０の番号を外部に通知して（ステップＳ２１５）、経時劣化診断処理は終了する。即ち、経時劣化診断処理は、主として、一燃料電池セル１０内で劣化診断に係る比較を行う点で初期劣化診断処理と異なっている。

尚、ここでは、劣化診断要素の値を、前述したリファレンスの劣化診断要素の値と比較しているが、比較対象はこれに限定されない。経時劣化診断処理が、例えば、定期点検の様に繰り返し行われる場合には、前回の経時劣化診断処理において得られた劣化診断要素の値が比較対照となってもよい。

ここで、図６を参照し、経時劣化診断処理について補足的に説明する。ここに、図６は、経時劣化診断処理が実行された結果を複素平面上に表した図である。尚、図６は、図４と同様の複素インピーダンス平面であるとする。

図６には、燃料電池スタックを構成する任意の燃料電池セル１０に対して、時刻Ｔ_Ａ、Ｔ_Ｂ及びＴｃにおいて、経時劣化診断処理が実施された結果が示されている。同図において、時刻Ｔ_Ａにおいて得られたＲ_１、Ｒ_２及びＲ_３は、夫々Ｒ_１Ａ、Ｒ_２Ａ及びＲ_３Ａであり、同様に、時刻Ｔ_ＢにおいてＲ_１Ｂ、Ｒ_２Ｂ、及びＲ_３Ｂ、並びに時刻Ｔ_ＣにおいてＲ_１Ｃ、Ｒ_２Ｃ、及びＲ_３Ｃが夫々得られている。

図６に示す様に、本実施形態に係る経時劣化診断処理が実行された結果は、複素インピーダンス平面上では散在する点として示される。従って、図４に示す様な周波数特性曲線を劣化診断処理の度に、又は燃料電池セル１０毎に繰り返す場合と比較すると、燃料電池セル１０の劣化診断に必要な処理時間は、１／５〜１／１０程度となっており、効率的な劣化の診断が可能となっている。

また、図４に示した通り、Ｆ_１は燃料電池セル１０の直流抵抗を表し、Ｆ_２は第１の領域から選択された測定周波数であり、Ｆ_３は第２の領域から選択された測定周波数であるため、これらの抵抗値から生成される劣化診断要素の値によって、燃料電池セル１０の劣化を高精度に診断することが可能である。

例えば、Ｒ_１ＡとＲ_１Ｃの差分が大きければ、即ち、燃料電池セル１０における接触抵抗の劣化が考えられ、Ｒ_２Ａ−Ｒ_１ＡとＲ_２Ｃ−Ｒ_１Ｃとの差分が大きければ、第１の要因、即ち、酸素の反応に関する何らかの劣化が進行していると診断することができる。更に、Ｒ_３Ａ−２Ｒ_２Ａ＋Ｒ_１ＡとＲ_３Ｃ−２Ｒ_２Ｃ＋Ｒ_１Ｃとの差分が大きければ、第２の要因、即ち、酸素の拡散に関する何らかの劣化が進行していると診断することができる。

この様に主たる支配要因が異なった領域から測定周波数を選択することによって、単に燃料電池セル１０の劣化の有無を診断するのみならず、劣化の要因をある程度特定することが可能となって、夫々の劣化要因に応じた適切な処置が可能となるのである。

尚、例えば、燃料電池スタックを車載する場合等には、任意のタイミングで劣化診断を実施することが難しい。この様な場合には、測定装置１１０を車に搭載してもよい。この車載された測定装置１１０によって、絶えず燃料電池セルの劣化を監視することが可能となる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う燃料電池の劣化診断方法及び装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明の実施形態に係る測定システム１００の構成回路図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セル１０の断面構造図である。 本発明の実施形態に係る初期劣化診断処理のフローチャートである。 初期劣化診断処理に係る周波数特性曲線２００の模式図である。 本発明の実施形態に係る経時劣化診断処理のフローチャートである。 経時劣化診断処理の結果を複素平面に表した図である。

符号の説明

１０…燃料電池セル、１００…測定システム、１１０…測定装置、１１１…交流信号源、１１２…負荷、１１３…インピーダンスアナライザ、１１３ａ…インピーダンス測定部、１１３ｂ…抵抗値特定部、１１４…劣化診断部、１１５…ＣＰＵ、１１６…メモリ。２００…周波数特性曲線。

Claims (8)

1. 予め定められた電流密度で駆動される燃料電池に対し、周波数Ｆ１、Ｆ２（Ｆ１＞Ｆ２）及びＦ３（Ｆ２＞Ｆ３）を含む少なくとも３つの測定周波数の交流信号を印加することにより、前記燃料電池における、前記測定周波数に夫々対応する少なくとも３つの複素インピーダンスを取得するインピーダンス取得工程と、
   前記取得された複素インピーダンスから、前記測定周波数に夫々対応する前記燃料電池の少なくとも３つの抵抗値を特定する抵抗値特定工程と、
   前記特定された抵抗値の所定関数である劣化診断要素に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する診断工程と
   を具備し、
   前記周波数Ｆ１は、前記複素インピーダンスを規定する、前記抵抗値を表す第１軸、及び前記第１軸に直交すると共に容量値を表す第２軸を有する座標平面上で、前記測定周波数を含む測定周波数範囲で描かれる前記複素インピーダンスの周波数特性曲線と前記第１軸との交点であって、且つ前記燃料電池における直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されており、
   前記周波数特性曲線は、一部が円弧をなすと共に第１の要因が支配的な第１の領域、及び一部が円弧をなすと共に第１の要因とは異なる第２の要因が支配的な第２の領域を有し、
   前記周波数Ｆ２は、前記第１の領域内で決定され、
   前記周波数Ｆ３は、前記第２の領域内で決定され、
   前記周波数Ｆ２及びＦ３は、前記第１の領域及び前記第２の領域の夫々における前記円弧の頂点又は該頂点近傍の点に相当する周波数であり、
   前記劣化診断要素は、前記周波数Ｆ１、Ｆ２及びＦ３の夫々に対応する前記抵抗値を夫々Ｒ１、Ｒ２及びＲ３とした場合に、Ｒ１、Ｒ２−Ｒ１、及びＲ３−２Ｒ２＋Ｒ１という３つの劣化診断要素を含む
   ことを特徴とする燃料電池の劣化診断方法。
2. 前記診断工程は、前記劣化診断要素の値の前回値との比較に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の劣化診断方法。
3. 前記診断工程は、前記劣化診断要素の値と基準値との相対比較に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の劣化診断方法。
4. 前記基準値は、初期又は基準時期に実行された前記診断工程における前記劣化診断要素の値である
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の劣化診断方法。
5. 前記燃料電池に対し、予め前記周波数特性曲線を取得する特性取得工程を更に具備し、
   前記周波数Ｆ１、Ｆ２及びＦ３は、前記取得された周波数特性曲線に基づいて決定される
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池の劣化診断方法。
6. 前記測定周波数は、周波数Ｆ４（Ｆ３＞Ｆ４）を含み、
   前記周波数Ｆ４は、前記周波数特性曲線と前記第１軸との交点に相当する周波数である
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池の劣化診断方法。
7. 前記燃料電池の劣化を診断した結果、前記燃料電池が劣化している場合に、前記劣化している燃料電池の存在を通知する通知工程を更に具備する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池の劣化診断方法。
8. 予め定められた電流密度で駆動される燃料電池に対し、周波数Ｆ１、Ｆ２（Ｆ１＞Ｆ２）及びＦ３（Ｆ２＞Ｆ３）を含む少なくとも３つの測定周波数の交流信号を印加することにより、前記燃料電池における、前記測定周波数に夫々対応する少なくとも３つの複素インピーダンスを取得するインピーダンス取得手段と、
   前記取得された複素インピーダンスから、前記測定周波数に夫々対応する前記燃料電池の少なくとも３つの抵抗値を特定する抵抗値特定手段と、
   前記特定された抵抗値の所定関数である劣化診断要素に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する診断手段と
   を具備し、
   前記周波数Ｆ１は、前記複素インピーダンスを規定する、前記抵抗値を表す第１軸、及び前記第１軸に直交すると共に容量値を表す第２軸を有する座標平面上で、前記測定周波数を含む測定周波数範囲で描かれる前記複素インピーダンスの周波数特性曲線と前記第１軸との交点であって、且つ前記燃料電池における直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されており、
   前記周波数特性曲線は、一部が円弧をなすと共に第１の要因が支配的な第１の領域、及び一部が円弧をなすと共に第１の要因とは異なる第２の要因が支配的な第２の領域を有し、
   前記周波数Ｆ２は、前記第１の領域内で決定され、
   前記周波数Ｆ３は、前記第２の領域内で決定され、
   前記周波数Ｆ２及びＦ３は、前記第１の領域及び前記第２の領域の夫々における前記円弧の頂点又は該頂点近傍の点に相当する周波数であり、
   前記劣化診断要素は、前記周波数Ｆ１、Ｆ２及びＦ３の夫々に対応する前記抵抗値を夫々Ｒ１、Ｒ２及びＲ３とした場合に、Ｒ１、Ｒ２−Ｒ１、及びＲ３−２Ｒ２＋Ｒ１という３つの劣化診断要素を含む
   ことを特徴とする燃料電池の劣化診断装置。

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