CN103718363A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，具备接受负极气体和正极气体的供给来进行发电的燃料电池，该燃料电池系统具备：含水量计算部，其计算燃料电池的含水量；内部阻抗计算部，其计算燃料电池的内部阻抗；以及起动时温度计算部，其基于系统上次停止时的燃料电池的含水量以及系统起动时的燃料电池的内部阻抗来计算系统起动时的燃料电池温度。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及供给负极(anode)气体和正极(cathode)气体来使燃料电池发电的燃料电池系统。
背景技术
日本JP2010-186599A中公开了如下一种燃料电池系统：在系统起动时使用冷却水温度传感器来检测冷却水温度，将所检测出的冷却水温度设为系统起动时的燃料电池温度。
发明内容
在要在冰点下起动燃料电池系统的情况下，有时会由于燃料电池内的生成水冻结或者燃料电池的发电性能降低而对车辆的行驶进行限制，直到燃料电池系统中的发电部位被预热为止。因此，在燃料电池系统中，使用在系统起动时计算出的燃料电池温度来进行车辆的行驶允许判断。
然而，在上述的燃料电池系统中，存在以下问题：由于使用冷却水温度传感器来求出系统起动时的燃料电池温度，因此在系统起动后需要使冷却水流动几秒左右后再检测冷却水温度，到计算出燃料电池温度为止要花费时间。当像这样燃料电池温度的计算要耗费时间时，使用燃料电池温度进行的车辆的行驶允许判断也会变晚。
因此，本发明的目的在于提供一种能够在短时间内高精度地计算出系统起动时的燃料电池温度的燃料电池系统。
根据本发明的某个方式，提供了一种燃料电池系统，具备接受负极气体和正极气体的供给来进行发电的燃料电池，该燃料电池系统具备：含水量计算部，其计算燃料电池的含水量；内部阻抗计算部，其计算燃料电池的内部阻抗；以及起动时温度计算部，其基于由含水量计算部计算的系统上次停止时的燃料电池的含水量以及由内部阻抗计算部计算的系统起动时的燃料电池的内部阻抗，来计算系统起动时的燃料电池温度。
参照附图，在下面详细说明本发明的实施方式和优点。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池系统的概要结构图。
图2是表示由燃料电池系统所具备的控制器执行的内部阻抗计算处理的流程图。
图3是表示带通滤波器的频率-振幅特性的图。
图4是表示由控制器执行的系统起动时的车辆行驶允许判断处理的流程图。
图5是表示每个规定温度的燃料电池堆的内部阻抗与燃料电池堆的含水量之间的关系的对应表数据。
图6是表示每个规定温度的燃料电池堆的内部阻抗与燃料电池堆的含水量之间的关系的对应表数据。
图7是表示起动时燃料电池温度-上限输出值特性的图。
图8是表示每个规定温度的燃料电池堆的内部阻抗与燃料电池堆的含水量之间的关系的对应表数据。
图9是表示由第二实施方式的燃料电池系统所具备的控制器执行的干燥运转控制处理的流程图。
图10是表示交流频率-相位延迟特性的图。
图11是在复平面上示出将1kHz的交流电流叠加于燃料电池堆时计算的燃料电池堆的内部阻抗的图。
图12是表示由第三实施方式的燃料电池系统所具备的控制器执行的系统起动时的车辆行驶允许判断处理的流程图。
图13是表示燃料电池堆的输出电压-相位延迟特性的图。
具体实施方式
(第一实施方式)
燃料电池是通过用作为燃料极的负极电极和作为氧化剂极的正极电极夹持电解质膜而构成的，使用向负极电极供给含氢的负极气体和向正极电极供给含氧的正极气体来进行发电。在负极电极和正极电极这两个电极处进行的电化学反应如下。
负极电极：2H2→4H++4e-    …(1)
正极电极：4H++4e-+O2→2H2O…(2)
通过该(1)(2)的电化学反应，燃料电池产生1V(伏特)左右的电动势。
在将这种燃料电池用作汽车用动力源的情况下，由于要求的电力大，因此作为将数百块的燃料电池层叠所得的燃料电池堆来进行使用。然后，构成向燃料电池堆供给负极气体和正极气体的燃料电池系统，取出用于驱动车辆的电力。
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池系统100的概要结构图。
燃料电池系统100具备燃料电池堆1、负极气体供给装置2、正极气体供给装置3、冷却装置4、逆变器5、驱动马达6、电池7、DC/DC转换器8以及控制器60。
燃料电池堆1是层叠规定块数的燃料电池10而构成的。燃料电池堆1接受负极气体(氢)和正极气体(空气)的供给来进行发电，向驱动车辆的驱动马达6等各种电装部件供给电力。燃料电池堆1具有负极侧端子11和正极侧端子12作为用于取出电力的输出端子。
负极气体供给装置2具备高压罐21、负极气体供给通路22、压力调节阀23、压力传感器24、负极气体排出通路25、缓冲罐26、净化通路27以及净化阀28。
高压罐21是将要向燃料电池堆1供给的作为负极气体的氢保持为高压状态来贮存的容器。
负极气体供给通路22是用于将从高压罐21排出的负极气体供给到燃料电池堆1的通路。负极气体供给通路22的一端连接于高压罐21，另一端连接于燃料电池堆1的负极气体入口部。
压力调节阀23是能够连续地或阶段性地调节开度的电磁阀，设置于负极气体供给通路22。压力调节阀23将从高压罐21排出的高压状态的负极气体调节为规定的压力。压力调节阀23的开度由控制器60来控制。
压力传感器24设置于压力调节阀23下游侧的负极气体供给通路22。压力传感器24检测在负极气体供给通路22中流动的负极气体的压力。由压力传感器24检测出的负极气体的压力代表包括缓冲罐26、燃料电池堆1内部的负极气体流路等在内的负极系整体的压力。
负极气体排出通路25是将燃料电池堆1与缓冲罐26连通的通路。负极气体排出通路25的一端连接于燃料电池堆1的负极气体出口部，另一端连接于缓冲罐26的上部。未在电化学反应中使用的剩余的负极气体与杂质气体的混合气体(以下称为“负极排气”)被排出到负极气体排出通路25，该杂质气体包括在燃料电池堆1内从正极侧泄漏到负极气体流路的氮、水蒸气等。
缓冲罐26是暂时储存在负极气体排出通路25流来的负极排气的容器。负极排气所包含的水蒸气的一部分在缓冲罐26内冷凝而成为冷凝水，从负极排气中分离出来。
净化通路27是使缓冲罐26与外部连通的通路。净化通路27的一端连接于缓冲罐26的下部，净化通路27的另一端形成为开口端。存留在缓冲罐26中的负极排气被从后述的正极气体排出通路35流入到净化通路27的正极排气稀释，与冷凝水一起从净化通路27的开口端排出到外部。
净化阀28是能够连续地或阶段性地调节开度的电磁阀，设置于净化通路27。通过调节净化阀28的开度，来调整从净化通路27向外部排出的负极排气的量。净化阀28的开度由控制器60来控制。
正极气体供给装置3具备正极气体供给通路31、过滤器32、压缩机33、压力传感器34、正极气体排出通路35以及压力调节阀36。
正极气体供给通路31是流通向燃料电池堆1供给的正极气体、即空气的通路。正极气体供给通路31的一端连接于过滤器32，另一端连接于燃料电池堆1的正极气体入口部。
过滤器32用于去除从外部取入的空气所包含的尘、埃等异物。经过滤器32去除过异物后的空气成为向燃料电池堆1供给的正极气体。
压缩机33设置于过滤器32与燃料电池堆1之间的正极气体供给通路31。压缩机33将经由过滤器32取入的正极气体加压输送到燃料电池堆1。
压力传感器34设置于压缩机33下游侧的正极气体供给通路31。压力传感器34检测在正极气体供给通路31流动的正极气体的压力。由压力传感器34检测得到的正极气体的压力代表包括燃料电池堆1内部的正极气体流路等在内的正极系整体的压力。
正极气体排出通路35是将燃料电池堆1与负极气体供给装置2的净化通路27连通的通路。正极气体排出通路35的一端连接于燃料电池堆1的正极气体出口部，另一端连接于净化阀28下游侧的净化通路27。在燃料电池堆1中未在电化学反应中使用的正极气体作为正极排气经由正极气体排出通路35排出到净化通路27。
压力调节阀36是能够连续地或阶段性地调节开度的电磁阀，设置于正极气体排出通路35。压力调节阀36由控制器60来控制开度，调整向燃料电池堆1供给的正极气体的压力。
冷却装置4是用于利用冷却水对燃料电池堆1进行冷却的装置，具备冷却水循环通路41、冷却水循环泵42、散热器43以及冷却水温度传感器44、45。
冷却水循环通路41是流通用于冷却燃料电池堆1的冷却水的通路。冷却水循环通路41的一端连接于燃料电池堆1的冷却水入口部，另一端连接于燃料电池堆1的冷却水出口部。
冷却水循环泵42是使冷却水循环的加压输送装置，设置于冷却水循环通路41。
散热器43是用于冷却从燃料电池堆1排出的冷却水的散热器，设置于冷却水循环泵42上流侧的冷却水循环通路41。
冷却水温度传感器44、45是检测冷却水的温度的传感器。冷却水温度传感器44设置于靠近燃料电池堆1的冷却水入口部的冷却水循环通路41，对流入到燃料电池堆1的冷却水的温度进行检测。与此相对，冷却水温度传感器45设置于靠近燃料电池堆1的冷却水出口部的冷却水循环通路41，对从燃料电池堆1排出的冷却水的温度进行检测。
逆变器5具备开关部51和平滑电容器52，经由负极侧端子11和正极侧端子12与燃料电池堆1电连接。开关部51由多个开关元件构成，将直流变换为交流或将交流变换为直流。平滑电容器52与燃料电池堆1并联连接，对由于开关部51处的开关动作等而产生的脉动进行抑制。
驱动马达6是三相交流马达，利用从逆变器5供给的交流电流来进行动作，产生使车辆驱动的转矩。
电池7经由DC/DC转换器8与驱动马达6和燃料电池堆1电连接。电池7是锂离子二次电池等能够充放电的二次电池。
DC/DC转换器8与燃料电池堆1电连接。DC/DC转换器8是使燃料电池堆1的电压升降的双向性的电压变换机，基于直流输入得到直流输出，并且将输入电压变换为任意的输出电压。
控制器60由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微计算机构成。除了来自压力传感器24、34、冷却水温度传感器44、45的检测信号以外，来自检测燃料电池堆1的输出电流的电流传感器61、检测燃料电池堆1的输出电压的电压传感器62、检测车辆所具备的加速踏板的踏下量的加速踏板传感器63、检测电池7的充电量的SOC传感器64的检测信号也作为用于检测燃料电池系统100的运转状态的信号输入到控制器60中。
控制器60基于这些输入信号来计算燃料电池堆1的目标燃料电池电压等，以对向燃料电池堆1供给的负极气体和正极气体的流量等进行控制。
另外，控制器60在启动燃料电池系统100的系统起动时，计算燃料电池堆1的燃料电池温度(燃料电池10的电解质膜的温度)，基于计算出的燃料电池温度来执行车辆行驶允许判断(参照图4)。
在本实施方式的燃料电池系统100中，控制器60通过使用系统上次停止时的燃料电池堆1的含水量(电解质膜的湿润度)以及本次系统起动时的燃料电池堆1的内部阻抗(电解质膜的内部阻抗)，来在系统刚起动之后高精度地计算燃料电池温度。
首先，参照图2来说明燃料电池堆1的内部阻抗的计算方法。
图2是由控制器60执行的燃料电池堆1的内部阻抗计算处理的流程图。燃料电池堆1的内部阻抗计算处理是基于以往已知的交流阻抗法的处理。在需要计算燃料电池堆1的内部阻抗的规定定时执行内部阻抗计算处理。
在S101(步骤101)中，控制器60将使根据车辆运转状态而设定的燃料电池堆1的目标燃料电池电压与1kHz的交流电压值相加所得的值设定为本次的目标燃料电池电压。
在S102中，控制器60对DC/DC转换器8进行控制以形成S101中设定的目标燃料电池电压。对DC/DC转换器8进行控制来将交流电压施加于燃料电池堆1，由此将交流电流叠加于燃料电池堆1的输出电流。通过像这样控制DC/DC转换器8，形成燃料电池的输出信号包含1kHz的频率的交流电压和交流电流。
在S103中，控制器60使用电流传感器61来检测燃料电池堆1的输出电流，并且使用电压传感器62来检测燃料电池堆1的输出电压。
在S104中，控制器60使用带通滤波器来去除在S103中检测出的电流值和电压值的直流成分，计算出交流电流值和交流电压值。此外，如图3所示，带通滤波器是具有通过频带中心被设定为1kHz的频率-振幅特性的滤波器。
在S105中，控制器60对交流电流值实施已知的傅里叶变换处理，计算1kHz中的电流振幅值。
在S106中，控制器60对交流电压值实施已知的傅里叶变换处理，计算1kHz中的电压振幅值。
在S107中，控制器60用在S106中计算出的电压振幅值除以在S105中计算出的电流振幅值，来计算燃料电池堆1的内部阻抗Z。
在S108中，控制器60对交流电流值和交流电压值实施傅里叶变换处理，计算交流电压值相对于交流电流值的相位延迟θ，结束内部阻抗计算处理。
接着，参照图4来说明由控制器60执行的系统起动时的车辆行驶允许判断处理。在从点火开关被接通起到车辆行驶被允许为止的期间内，以规定运算周期(例如100微秒周期)执行车辆行驶允许判断处理。
在S201中，控制器60判定是否存在燃料电池温度计算请求。在系统刚起动之后、通知了禁止车辆行驶的情况下等，控制器60判定为存在燃料电池温度计算请求，执行S202的处理。与此相对，在通知了允许车辆行驶的情况下等，控制器60判定为不存在燃料电池温度计算请求，结束车辆行驶允许判断处理。
在S202中，控制器60参照图5所示的对应表数据，基于系统上次停止时的燃料电池温度和燃料电池堆1的内部阻抗，来计算系统停止时的燃料电池堆1的含水量。
此外，系统上次停止时的燃料电池温度是在点火开关已被断开时由冷却水温度传感器44检测出的冷却水温度与由冷却水温度传感器45检测出的冷却水温度的平均值。另外，系统上次停止时的燃料电池堆1的内部阻抗是在点火开关已被断开时由内部阻抗计算处理(参照图2)计算出的内部阻抗。
图5是为了计算燃料电池堆1的含水量而使用的对应表数据。该对应表数据是在使用燃料电池系统100的温度区域内对每个规定温度的燃料电池堆1的内部阻抗与燃料电池堆1的含水量之间的关系进行定义的特性图。对应表数据是预先设定的数据，存储在控制器60的ROM等中。
如图5的对应表数据所示，在燃料电池温度固定的情况下，燃料电池堆1的含水量越小、即燃料电池10的电解质膜越干燥，燃料电池堆1的内部阻抗越大。另外，在燃料电池堆1的含水量固定的情况下，燃料电池温度越低，燃料电池堆1的内部阻抗越大。这样，燃料电池温度越高，内部阻抗-含水量特性中的等温线位于图中越靠右上的位置。
例如，在系统上次停止时的燃料电池温度为T1、燃料电池堆1的内部阻抗为Ze的情况下，基于图5的对应表数据，将系统上次停止时的燃料电池堆1的含水量计算为We。
在图4的S202中计算出燃料电池堆1的含水量We之后，在S203中，控制器60计算系统起动时的燃料电池堆1的内部阻抗Zs。在点火开关已被接通时，通过内部阻抗计算处理(参照图2)来计算系统起动时的燃料电池堆1的内部阻抗。
在S204中，控制器60参照图6所示的对应表数据，基于在S202中计算出的系统上次停止时的燃料电池堆1的含水量We以及在S203中计算出的系统起动时的内部阻抗Zs来计算系统起动时的起动时燃料电池温度Ts。
图6是为了计算燃料电池温度而使用的对应表数据。图6的对应表数据是与图5所示的对应表数据相同的对应表数据。在系统上次停止时的燃料电池堆1的含水量为We、系统起动时的燃料电池堆1的内部阻抗为Zs的情况下，基于图6的对应表数据将起动时燃料电池温度Ts计算为T2。
此外，在起动时燃料电池温度Ts的计算中，以从上次停止时起到起动时为止的期间内燃料电池堆1的含水量几乎没有发生变化为前提，来使用系统上次停止时的燃料电池堆1的含水量We。
在图4的S205中，控制器60基于起动时燃料电池温度Ts来计算燃料电池堆1的上限输出值Pmax。基于图7所示的预先设定的起动时燃料电池温度-上限输出值特性来求出燃料电池堆1的上限输出值Pmax。如图7所示，起动时燃料电池温度Ts越高，系统起动时的燃料电池堆1的上限输出值Pmax越大。
在S206中，控制器60判定上限输出值Pmax是否大于能够行驶输出值P0。能够行驶输出值P0是基于能够产生驱动马达6使车辆行驶所需的转矩的燃料电池堆1的输出电流值而设定的。
在S206的处理中，在判断为上限输出值Pmax大于能够行驶输出值P0的情况下，控制器60执行S207的处理。
在S207中，控制器60判断为能够使车辆行驶，执行行驶允许通知处理，结束车辆行驶允许判断处理。在行驶允许通知处理中，通过使蓝色的行驶允许灯点亮等，来向驾驶员通知车辆处于能够行驶状态。
另一方面，在S206的处理中判断为上限输出值Pmax为能够行驶输出值P0以下的情况下，控制器60执行S208和S209的处理。
在S208中，控制器60判断为系统起动时的燃料电池温度低而来自燃料电池堆1的输出不足，从而需要对车辆的行驶进行限制，执行行驶禁止通知处理。在行驶禁止通知处理中，通过使红色的行驶禁止灯点亮等，来向驾驶员通知车辆处于禁止行驶状态。
在S209中，控制器60执行用于对燃料电池堆1进行预热的预热处理，结束车辆行驶允许判断处理。在预热处理中，从燃料电池堆1向能够以小于燃料电池堆1的上限输出值Pmax的输出来进行动作的辅机类等供给电力，进行燃料电池堆1的预热。
此外，也可以使用电池7的电力来使加热器动作，通过加热器来使燃料电池堆1变暖。
另外，在S205和S206的处理中，基于根据起动时燃料电池温度Ts计算出的上限输出值Pmax来进行行驶允许或行驶禁止的判定，但是也可以基于起动时燃料电池温度Ts来进行行驶允许或行驶禁止的判定。在这种情况下，控制器60在起动时燃料电池温度Ts大于基准温度(例如0度)的情况下执行S207的处理，在起动时燃料电池温度Ts为基准温度以下的情况下执行S208和S209的处理。
根据上述的第一实施方式的燃料电池系统100，能够得到以下的效果。
在燃料电池系统100中，基于系统上次停止时检测出的冷却水温度和燃料电池堆1的内部阻抗来计算燃料电池堆1的含水量，基于系统上次停止时的燃料电池堆1的含水量以及系统起动时的内部阻抗来计算系统起动时的起动时燃料电池温度。这样，使用能够与系统起动几乎同时地进行计算的燃料电池堆1的含水量和内部阻抗来计算燃料电池温度，因此与在系统起动后在使冷却水循环之后基于冷却水温度传感器的检测值来计算燃料电池温度的以往技术相比，能够在系统起动后立即求出高精度的燃料电池温度。
另外，在燃料电池系统100中，基于根据起动时燃料电池温度或起动时燃料电池温度求出的燃料电池堆1的上限输出值来实施行驶可否判断，因此能够在系统起动后立即得到行驶可否判断结果。
并且，在燃料电池系统100中，基于根据起动时燃料电池温度或起动时燃料电池温度求出的燃料电池堆1的上限输出值来实施预热可否判断，因此能够在系统起动后立即得到预热可否判断结果。
(第二实施方式)
接着，说明本发明的第二实施方式的燃料电池系统100。本实施方式的燃料电池系统100在以下方面与第一实施方式的燃料电池系统不同：在系统停止时实施干燥运转以使燃料电池堆1的含水量降低。下面，以该不同点为中心来进行说明。
此外，在以下的各实施方式中，对实现与第一实施方式相同的功能的结构等附加同一标记，适当省略重复的说明。
图8是在由第二实施方式的燃料电池系统100所具备的控制器60执行的行驶允许判断处理中为了计算燃料电池堆1的含水量、起动时燃料电池温度而使用的对应表数据。图8的对应表数据与图5和图6的对应表数据相同。
如图8所示，在每个燃料电池温度的内部阻抗-含水量特性中，燃料电池堆1的含水量越小，与燃料电池温度变化相对的燃料电池堆1的内部阻抗的变化量ΔZ越大。例如，燃料电池温度从T1变化为T2时的燃料电池堆1的内部阻抗变化量在燃料电池堆1的含水量为W1的情况下为ΔZ1，在燃料电池堆1的含水量为W2的情况下为比ΔZ1大的ΔZ2。
在第二实施方式的燃料电池系统100中，在系统停止前实施干燥运转以使燃料电池堆1的含水量降低，通过置于与燃料电池温度变化相对的内部阻抗的变化量变大的状态，来提高下次系统起动时的内部阻抗的检测精度。
图9是表示由控制器60执行的干燥运转控制处理的流程图。在从点火开关被断开起到干燥运转结束为止的期间内，以规定运算周期(例如100微秒周期)执行干燥运转控制处理。
在S301中，控制器60实施使燃料电池堆1的含水量降低的干燥运转。
在燃料电池系统100中，在通常运转时进行控制使得燃料电池堆1的内部阻抗为通常运转用设定值，由此使燃料电池10的电解质膜保持为适度的湿润度来提高发电效率。当点火开关被断开时，不立即停止系统而实施干燥运转。在干燥运转中，燃料电池堆1的目标内部阻抗从通常运转用设定值切换为停止用设定值，该停止用设定值被设定为高于通常运转用设定值。然后，通过增大向燃料电池堆1的正极气体供给流量等来使燃料电池堆1的含水量降低，直到燃料电池堆1的内部阻抗达到停止用设定值为止。
在S302中，控制器60基于图2的内部阻抗计算处理来计算干燥运转时的燃料电池堆1的内部阻抗。
在S303中，控制器60判定在S302中计算出的干燥运转时的内部阻抗是否已达到停止用设定值。
在干燥运转时的内部阻抗尚未达到停止用设定值的情况下，控制器60不执行S304～S306中的干燥运转结束处理，而结束干燥运转控制处理。
另一方面，在干燥运转时的内部阻抗已达到停止用设定值的情况下，控制器60执行S304～S306中的干燥运转结束处理。
在S304中，控制器60将由冷却水温度传感器44检测出的冷却水温度与由冷却水温度传感器45检测出的冷却水温度的平均值计算为系统停止时的燃料电池温度。
在S305中，控制器60基于图2的内部阻抗计算处理来计算系统停止时的燃料电池堆1的内部阻抗。
在S304和S305中计算出的系统停止时的燃料电池温度和内部阻抗在图4的S202中被使用于计算燃料电池堆1的含水量。
在S306中，控制器60结束干燥运转，使燃料电池系统100停止。
根据上述的第二实施方式的燃料电池系统100，能够得到以下的效果。
在燃料电池系统100中，在系统停止前实施干燥运转以使燃料电池堆1的含水量降低，因此从系统停止后下次系统起动时的与燃料电池温度变化相对的燃料电池堆1的内部阻抗变化量变大，能够提高系统起动时的内部阻抗的计算精度。由此，与第一实施方式相比，能够更高精度地计算起动时燃料电池温度。
(第三实施方式)
接着，说明本发明的第三实施方式的燃料电池系统100。本实施方式的燃料电池系统100在以下方面与第一或第二实施方式的燃料电池系统不同：根据负极系的负极气体浓度(氢浓度)来变更起动时燃料电池温度的计算方法。
在图2中示出的内部阻抗计算处理中，在S107中计算燃料电池堆1的内部阻抗Z，并且在S108中计算1kHz的交流电压值相对于交流电流值的相位延迟θ。该相位延迟θ与负极系内的氢浓度之间存在相关度，这一点通过本申请的申请人们的研究是很清楚的。在此，相位延迟θ是指在燃料电池的等价电路上重叠规定频率(例如1kHz)的交流电压的情况下，与通过电阻成分后的电流的相位相对的、电阻成分的压降所导致的电压的相位的延迟。电阻成分包括燃料电池中的电解质膜电阻、反应电阻以及双电层电容。
图10是表示交流频率与相位延迟θ之间的关系的图。实线表示燃料电池系统100的负极系内被氢充满的情况，虚线表示负极系内几乎被空气充满的情况。
在系统刚停止之后等燃料电池系统100的负极系内被氢充满的状态下，在S108中计算的1kHz时的相位延迟θ1如图10的实线所示那样为大致接近零的值。
另一方面，当在系统停止后经过了一定程度的时间时，燃料电池系统100的负极系内会被从正极侧泄漏来的空气等充满。在负极系内几乎被空气充满而氢浓度降低的状态下，在S108中计算的1kHz时的相位延迟θ2如图10的虚线所示那样被计算为与相位延迟θ1相比大幅延迟的值。
这样，燃料电池系统100的负极系内的氢浓度越降低，交流电压值相对于交流电流值的相位延迟θ越大。如图11所示，与负极系内的氢浓度高而几乎不存在相位延迟的情况相比，在负极系内的氢浓度低而相位延迟θ大的情况下，设燃料电池温度和含水量固定时的内部阻抗被计算为大的值。
图11是在复平面上示出了将1kHz的交流电流叠加于燃料电池堆1时计算的燃料电池堆1的内部阻抗的图。横轴是内部阻抗的实部，纵轴是内部阻抗的虚部。
如图11所示，与负极系内的氢浓度高的情况下的内部阻抗相比，负极系内的氢浓度低的情况下的内部阻抗的相位延迟大，实部的值几乎不变而虚部的值变大。由此，关于以箭头的长度来表示的内部阻抗的大小，与高氢浓度的情况相比，低氢浓度的情况下的内部阻抗的大小较大。
在第三实施方式的燃料电池系统100中，着眼于燃料电池堆1的内部阻抗与负极系内的氢浓度相应地变化的情况，根据负极系的氢浓度来变更起动时燃料电池温度的计算方法，由此提高起动时燃料电池温度的计算精度。
参照图12来说明由第三实施方式的燃料电池系统100所具备的控制器60执行的系统起动时的车辆行驶允许判断处理。在图12的车辆行驶允许判断处理中，执行S210～S214的处理来代替图4的S203和S204的处理。图12的S201，S202，S205～S209的处理与图4的相同。
在S202的处理中计算出上次停止时的燃料电池堆1的含水量We之后，在S210中，控制器60判定负极系内的氢浓度是否降低了。基于在点火开关刚接通之后且向燃料电池堆1供给氢之前计算出的相位延迟θ(图2的S108)，来进行氢浓度降低判定。
在相位延迟θ不迟于基准值的情况下，判断为负极系内残留有一定程度的氢而未处于低氢浓度，控制器60执行S211和S212的处理。
在S211中，控制器60在将压力调节阀23设定为规定开度来向燃料电池堆1供给负极气体之后，计算系统起动时的燃料电池堆1的内部阻抗Zs1。在负极系内存在一定程度的氢和空气的情况下，会由于燃料电池堆1内的氢浓度分布的偏差而导致内部阻抗计算精度降低。因此，通过用氢将负极系内充满，来使燃料电池堆1内的氢浓度分布大致均匀，从而抑制内部阻抗计算精度的降低。
在S212中，控制器60参照作为与图6相同的对应表数据的通常氢浓度用对应表数据，基于系统上次停止时的燃料电池堆1的含水量We和系统起动时的内部阻抗Zs1，来计算系统起动时的起动时燃料电池温度Ts。
在S212的处理后，控制器60执行S205以后的处理。
另一方面，在S210中，在相位延迟θ迟于基准值而判断为处于负极系内几乎被空气充满的低氢浓度的情况下，控制器60执行S213和S214的处理。
在S213中，控制器60在向燃料电池堆1供给负极气体之前，计算系统起动时的燃料电池堆1的内部阻抗Zs2。在负极系内几乎被空气充满的状态下燃料电池堆1的内部阻抗变大，因此S/N比改善，能够高精度地计算内部阻抗。
在S214中，控制器60参照低氢浓度用对应表数据，基于系统上次停止时的燃料电池堆1的含水量We和系统起动时的内部阻抗Zs2，来计算系统起动时的起动时燃料电池温度Ts。低氢浓度用对应表数据中的内部阻抗被设定为大于通常氢浓度用对应表数据的该含水量和该燃料电池温度时的内部阻抗。
在S214的处理后，控制器60执行S205以后的处理。
根据上述的第三实施方式的燃料电池系统100，能够得到以下的效果。
在燃料电池系统100中，在负极系内几乎被空气充满的低氢浓度状态下，在向燃料电池堆1供给氢(负极气体)之前，计算系统起动时的燃料电池堆1的内部阻抗Zs2。在负极系内几乎被空气充满的状态下，燃料电池堆1的内部阻抗变大，因此内部阻抗计算时的S/N比改善。通过使用该系统起动时的内部阻抗Zs2，能够高精度地求出起动时燃料电池温度Ts。
另外，在燃料电池系统100中，在负极系内未处于低氢浓度状态的情况下，在向燃料电池堆1供给氢(负极气体)之后，计算系统起动时的燃料电池堆1的内部阻抗Zs1。通过用氢将负极系内充满，来使燃料电池堆1内的氢浓度分布大致均匀，由此能够抑制系统起动时的内部阻抗Zs1的计算精度的降低。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过是示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不在于将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。
例如，在第三实施方式的燃料电池系统100中，在图12中示出的车辆行驶允许判断处理的S210中，通过将计算出的相位延迟θ与基准值进行比较来判定氢浓度的降低，但是也可以基于系统起动后且向燃料电池堆1供给氢之前的燃料电池堆1的输出电压来判定氢浓度的降低。燃料电池堆1的输出电压与负极系内的氢浓度所引起的相位延迟θ之间存在如图13所示的相关关系，通过检测系统刚起动之后的燃料电池堆1的输出电压变得小于Va的情况，能够探测到相位延迟θ迟于基准值。因而，在向燃料电池堆1供给氢之前检测出的燃料电池堆1的输出电压小于基准电压Va的情况下，能够判断为负极系内处于低氢浓度状态。
本申请主张2011年8月22日向日本专利局申请的特愿2011-180603的优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书中。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，具备接受负极气体和正极气体的供给来进行发电的燃料电池，该燃料电池系统具备：
含水量计算部，其计算燃料电池的含水量；
内部阻抗计算部，其计算燃料电池的内部阻抗；以及
起动时温度计算部，其基于由上述含水量计算部计算出的系统上次停止时的上述燃料电池的含水量以及由上述内部阻抗计算部计算出的系统起动时的上述燃料电池的内部阻抗，来计算系统起动时的燃料电池温度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述起动时温度计算部使用对含水量、内部阻抗以及燃料电池温度的关系进行定义的特性图，基于系统上次停止时的含水量以及系统起动时的内部阻抗，来计算系统起动时的燃料电池温度。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备冷却水温度检测部，该冷却水温度检测部检测对上述燃料电池进行冷却的冷却水的温度，
上述含水量计算部基于系统停止时检测出的冷却水温度以及系统停止时计算出的内部阻抗，来计算上述燃料电池的含水量。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备运转控制部，该运转控制部在系统停止前实施使上述燃料电池的含水量降低的干燥运转。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
向上述燃料电池供给的负极气体是氢，
该燃料电池系统还具备浓度判定部，该浓度判定部判定在系统起动时是否处于上述燃料电池内的氢浓度低于规定值的低氢浓度状态，
在上述燃料电池内处于低氢浓度状态的情况下，上述起动时温度计算部基于系统上次停止时的上述燃料电池的含水量以及在向上述燃料电池供给氢之前计算出的系统起动时的上述燃料电池的内部阻抗，来计算系统起动时的燃料电池温度。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，
在上述燃料电池内不是处于低氢浓度状态的情况下，上述起动时温度计算部基于系统上次停止时的上述燃料电池的含水量以及向上述燃料电池供给氢之后计算出的系统起动时的上述燃料电池的内部阻抗，来计算上述燃料电池温度。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述内部阻抗计算部基于将规定频率的交流电流叠加于上述燃料电池时的上述燃料电池的输出电流和输出电压，来计算上述燃料电池的内部阻抗并且计算输出电压相对于输出电流的相位延迟，
上述浓度判定部基于系统起动时的上述相位延迟，来判定上述燃料电池内是否处于低氢浓度状态。
8.根据权利要求5或6所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述浓度判定部基于系统起动时的上述燃料电池的输出电压来判定上述燃料电池内是否处于低氢浓度状态。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备行驶可否判断部，该行驶可否判断部基于由上述起动时温度计算部计算出的系统起动时的燃料电池温度，来判断车辆是否处于能够行驶的状态。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备预热可否判断部，该预热可否判断部基于由上述起动时温度计算部计算出的系统起动时的燃料电池温度，来判断是否需要对上述燃料电池进行预热。
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