JP2007149572A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムを複雑化させることなく、燃料電池内部に残留する水分量を精度良く検出し、燃料電池の内部水分量を適正に制御する。
【解決手段】 酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池セル１００を複数枚積層した燃料電池１と、燃料電池１の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段８、９と、燃料電池１の内部に存在する水分を除去する水分除去手段２２と、水分除去手段２２による水分除去を制御する制御手段５０とを備えた燃料電池システムにおいて、制御手段５０は、水分除去手段２２による水分除去を行っている際の内部抵抗の上昇速度を演算し、上昇速度に基づいて水分除去手段２２による水分除去の終了条件を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、特に車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。

燃料電池は発電反応に伴い水を生成し、その生成水の一部は発電停止後にも燃料電池内部に残留する。残留水が多い場合には、氷点下のような低温環境下での燃料電池始動時に触媒表面やガス流路等で残留水が凍結して、反応ガスが触媒まで到達できず、燃料電池での発電が継続できないという問題があった。また、氷点下にならずともガス流路や拡散層、触媒層に残留した水が存在し、触媒に反応ガスが到達するのを阻害し、燃料電池での発電が継続できないという問題があった。そこで、従来の技術として、発電停止時に乾燥操作を行い、そのセル内部の水分状態を、交流インピーダンス法を用いて測定した反応抵抗、内部（電解質膜）抵抗から推定する方法が知られている（特許文献１参照）。
特開２００５−７１６２６号公報

次回の低温環境下での燃料電池の始動を保証しようとする場合、セパレータの反応ガス流路を含めたセル内部に存在する水分量を管理する必要がある。その理由は、セル内部に存在する水はセル内部で移動可能であり、セパレータの反応ガス流路に存在した水が、反応面である触媒層に移動することもあり得るからである。

しかしながら、上記交流インピーダンス法では、電解質膜抵抗、反応抵抗の測定により、電解質膜、触媒層、拡散層の水分量はある程度推定することができるが、セパレータの反応ガス流路に存在する水分（液滴）は検出できない。このため、セパレータの反応ガス流路を含めたセル内部に存在する水分量を正確に推定することができず、燃料電池内部の水分量を適切に制御することが困難であった。

本発明は上記点に鑑み、システムを複雑化させることなく、燃料電池内部に残留する水分量を精度良く検出し、燃料電池の内部水分量を適正に制御することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の各手段を採用している。

本発明の第１の特徴は、酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池セル（１００）を複数枚積層した燃料電池（１）と、燃料電池（１）の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段（８、９）と、燃料電池（１）の内部に存在する水分を除去する水分除去手段（２２）と、水分除去手段（２２）による水分除去を制御する制御手段（５０）とを備え、制御手段（５０）は、水分除去手段（２２）による水分除去を行っている際の内部抵抗の上昇速度を演算し、上昇速度に基づいて水分除去手段（２２）による水分除去の終了条件を決定することである。

このように、燃料電池（１）から水分を除去するための掃気処理を開始する際に、内部抵抗の上昇速度を求めることで、燃料電池（１）の内部水分量を精度よく検出することができる。そして、内部抵抗の上昇速度に基づいて掃気処理の終了条件を決定することで、燃料電池（１）の内部水分量を適正な状態に管理することができる。なお、本明細書においては、燃料電池の内部抵抗を燃料電池のインピーダンスと同義のものとして扱っている。

水分除去手段として、燃料電池（１０）内に空気流を供給し、燃料電池（１０）内に滞留している水を除去する掃気処理を行う掃気手段（２２）を用いることができる。

本発明の第２の特徴は、燃料電池（１）の温度を検出する温度検出手段（４７）と、燃料電池（１）に供給される空気の流量を検出する空気流量検出手段（２４）と、燃料電池（１）に供給される空気の湿度を検出する空気湿度検出手段の少なくとも１つを備え、制御部（５０）は、水分除去手段（２２）による水分除去を開始する際における、燃料電池温度と、空気流量と、空気湿度の少なくとも１つを用いて水分除去の終了条件を決定することである。これにより、燃料電池（１）の水分除去の終了条件を精度よく決定することができる。

制御手段（５０）は、上昇速度に基づいて水分除去の終了を判定するための基準となる終了判定用内部抵抗を決定するとともに、水分除去の終了条件を内部抵抗が終了判定用内部抵抗を上回った場合とすることができる。さらに、制御手段（５０）は、上昇速度に基づいて水分除去の終了を判定するための基準となる終了判定用時間を決定するとともに、水分除去の終了条件を水分除去処理を開始してからの経過時間が終了判定用時間を越えた場合とすることができる。

また、内部抵抗測定手段（８、９）は、高周波インピーダンス法により燃料電池（１）の内部抵抗を測定するものとすることができる。あるいは、内部抵抗測定手段は、電流遮断法により燃料電池（１）の内部抵抗を測定するものとすることができる。

本発明の第３の特徴は、制御手段（５０）は、燃料電池（１）の発電停止後、燃料電池（１）の内部抵抗が安定する時間が経過した後、燃料電池（１）の内部抵抗を測定し、内部抵抗に基づいて燃料電池（１）の内部に存在する水分量が基準値を上回っていると判定された場合に、水分除去手段（２２）による水分除去を行うことである。これにより、燃料電池内部の水分状態が安定してから燃料電池（１）の内部抵抗を測定でき、燃料電池（１）の内部水分量を精度よく推定することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、本発明を燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用した実施例である。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。本実施形態では燃料電池１として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１００が複数積層されて構成されている。

燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。なお、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素（空気）が本発明の酸化剤ガスに相当している。

アノード（水素極）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード（酸素極）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
全体 Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
図２（ａ）は燃料電池１の断面図であり、図２（ｂ）はセパレータ１０４の側面図である。図２（ａ）に示すように、各セル１００は、電解質膜１０１、触媒層１０２、拡散層１０３、セパレータ１０４、電極板１０５、締結板１０６を備えている。電解質膜１０１の両外側には一対の触媒層１０２は配置され、触媒層１０２の外側には一対の拡散層１０３が配置されている。触媒層１０２と拡散層１０３は電極（水素極と酸素極）を構成している。

拡散層１０３には、セパレータ１０４が配置されている。水素極側に配置されたセパレータ１０４には、水素が通過する溝状の水素経路１０４ａが形成されており、空気極側に配置されたセパレータ１０４には、酸素（空気）が通過する溝状の空気経路１０４ｂが形成されている。さらにセパレータ１０４には、冷却水が通過する冷却水経路１０４ｃが形成されている。

図２（ｂ）に示すように、セパレータ１０４には、空気経路１０４ｂに空気を流入出させるための空気入口部１０４ｄと空気出口部１０４ｅが形成されている。さらに、セパレータ１０４には、水素経路１０４ａに水素を流入出させるための水素入口部１０４ｆと水素出口部１０４ｇが設けられ、冷却水経路１０４ｃに冷却水を流入出させるための冷却水入口部１０４ｈと冷却水出口部１０４ｉが設けられている。そして、上記電気化学反応によって酸素極側で生成した水分は空気経路１０４ｂに滞留することとなる。

図１に戻り、燃料電池１と二次電池３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、燃料電池１から二次電池３あるいは二次電池３から燃料電池１への電力の流れをコントロールする。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は昇降圧チョッパ回路で、燃料電池１で発生した電力を二次電池３に充電したり、二次電池３に蓄えられた電力を燃料電池１や走行用インバータ４に供給することができる装置である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は電圧の大きさに関わらず双方向に電力のやり取りが可能となっている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２と二次電池３の間に走行用インバータ４が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２を経由した燃料電池１からの電力あるいは二次電池３からの電力が走行用インバータ４へ供給される。なお、走行用インバータ４は燃料電池１とＤＣ−ＤＣコンバータ２の間に接続してもよい。

走行用インバータ４は、走行用モータ５を駆動させたりあるいは電力を回生させるためのインバータである。本実施形態の走行用インバータ４は３相インバータであり、３相の交流電力を走行用モータ５に供給し、走行用モータ５を回転させることで燃料電池車両を走行させる。

また、燃料電池１の発電時に余った電力を二次電池３に蓄えることができる。二次電池３は回生ブレーキなどによって回生された電力を蓄えることができるため、効率的な車両システムとすることができる。通常、二次電池３は最適な充電状態に充電されている。本実施形態では、二次電池３から走行用インバータ４に電力供給できるように構成されており、例えば急加速時などに急激に大きな電力が必要な場合に、燃料電池１からだけでなく二次電池３からも電力を引き出して走行用インバータ４に供給することで対応することができる。

さらにＤＣ−ＤＣコンバータ２と二次電池３との間には、後述のＷ／Ｐ用モータ４２を作動させるためのＷ／Ｐ用インバータ６と圧縮機用モータ２３を作動させるための圧縮機用インバータ７が接続されている。さらに、燃料電池システムには、燃料電池１の端子間電圧を検出するための電圧センサ８と、燃料電池１からの出力電流を検出するための電流センサ９が設けられている。

燃料電池システムには、燃料電池１の酸素極に供給される酸素ガス（空気）が通過する空気供給経路２０と、燃料電池１の酸素極から排出される空気極側排ガスが通過する空気排出経路２１が設けられている。空気供給経路２０には、空気を供給するための空気供給装置２２が設けられている。本実施形態では、空気供給装置２２として空気圧縮機を用いている。空気供給装置２２は圧縮機用モータ２３と機械的に接続されてている。圧縮機用モータ２３は、圧縮機用インバータ７により電力供給されるとともに、回転数制御される。

空気供給経路２０における空気供給装置２２の上流側には、燃料電池１に供給される空気の流量を検出する空気流量検出手段としてのエアフロセンサ２４が設けられている。また、空気排出経路２１には、所望の圧力になるよう空気の排気圧力（燃料電池１の背圧）を調整する調圧装置２６が設けられている。

また、発電時における電気化学反応のために、燃料電池１内の固体高分子膜を水分を含んだ湿潤状態にしておく必要がある。このため、空気供給経路２０における空気供給装置２２の下流側には、燃料電池１に供給される空気に加湿するための加湿装置２５が設けられている。加湿装置２５は、燃料電池１から排出され湿った排気空気に含まれる水分を用いて、空気供給装置２２の吐出後の空気を加湿する。

燃料電池システムには、燃料電池１の水素極に供給される水素ガスが通過する水素供給経路３０と、燃料電池１の水素極から排出される水素極側排ガスが通過する水素排出経路３１が設けられている。水素供給経路３０の最上流部には、燃料電池１の水素極に水素ガスを供給するための水素供給装置３２が設けられている。本実施形態では、水素供給装置３２として、高圧の水素が充填された水素タンクを用いている。

水素供給経路３０には、上流側から順に第１シャット弁３３、調圧装置３４、第２シャット弁３５が設けられている。燃料電池１に水素を供給する際には、第１シャット弁３３と第２シャット弁３５を開き、調圧装置３４によって所望の水素圧力にして燃料電池１に供給する。車両停止時には、安全の為第２シャット弁３３、第２シャット弁３５は閉められる。

水素排出配管３１には、第３シャット弁３６が設けられている。必要に応じて第３シャット弁３６を開くことで、燃料電池１の水素極側から水素排出配管３１を介して、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）および空気極側から電解質膜１０１を通過して水素極側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。

燃料電池１は発電に伴い発熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１を冷却して作動温度が効率の良い温度（８０℃前後）となるよう冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）４１、ウォータポンプ４１を駆動するＷ／Ｐ用モータ４２、ファン４３を備えたラジエータ４４が設けられている。

ウォータポンプ４１はＷ／Ｐ用モータ４２と機械的に接続されており、Ｗ／Ｐ用モータ４２を回転させることによりウォータポンプ４１を回転させて燃料電池１に冷却液を循環させる。Ｗ／Ｐ用モータ４２は、Ｗ／Ｐ用インバータ６により電力供給されるとともに、回転数制御される。

冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４４をバイパスさせるためのバイパス経路４５が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４５との合流点には、バイパス経路４５に流れる冷却水流量を調整するための三方切替弁４６が設けられている。

また、冷却水経路４０における燃料電池１の出口側近傍には、燃料電池１から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４７が設けられている。この温度センサ４７により冷却水温度を検出することで、燃料電池１の温度Ｔ_FCを間接的に検出することができる。温度センサ４７を燃料電池１本体に直接設置し、燃料電池温度Ｔ_FCを直接的に検出してもよい。

燃料電池１で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４４で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、ファン４３による風量制御、三方切替弁４６によるバイパス流量制御で、燃料電池１の冷却量制御を行うことができる。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御手段としての制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、電圧センサ８からの電圧信号、電流センサ９からの電流信号、エアフロセンサ２４からの空気流量信号、温度センサ４７からの温度信号等が入力される。また、制御部５０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、二次電池３、インバータ４、６、７、モータ２３、４２、調圧装置２６、シャット弁３３、３５、３６、調圧装置３４、ファン４３、三方切替弁４６等に制御信号を出力するように構成されている。

次に、燃料電池１内部のインピーダンスの測定方法について説明する。まず、インピーダンス測定のために、燃料電池１に二次電池２とＤＣ−ＤＣコンバータ３を用いて高周波の交流電圧を印加する。高周波電圧の周波数は、２００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの間で行えばよい。また、別体の高周波電圧印加装置を用いて燃料電池１に高周波交流電圧を印加するように構成してもよい。

そして、燃料電池１に交流電圧を印加している際に、電圧センサ８と電流センサ９で電圧値と電流値を測定する。そして、制御部５０にて電圧センサ８で測定した電圧値と電流センサ９で測定した電流値から燃料電池１のインピーダンスを計算することができる。また、先行文献（特開２００５−７１６２６号公報）にもあるようにインピーダンスは温度依存性があるため、温度センサ１５にて燃料電池温度Ｔ_FCを測定し、制御部５０では燃料電池温度Ｔ_FCをも考慮してインピーダンスを算出する。燃料電池１に高周波を印加したときのインピーダンスは燃料電池１の内部抵抗にほぼ等しいため、燃料電池１のインピーダンスを燃料電池１の内部抵抗として扱うことができる。なお、電圧センサ８と電流センサ９が本発明の内部抵抗測定手段に相当している。

図３は、セル１００内部の水分除去のために掃気処理を行った場合における燃料電池１のインピーダンスＲの経時的変化を示している。掃気処理は、燃料電池１の発電停止後、空気供給装置２２によりセル１００の空気通路１０４ｂに一定流量の空気を供給することで行う。なお、空気供給装置２２が本発明の水分除去手段と掃気手段に相当している。

図３（ａ）は、燃料電池１（セル１００）の内部水分量が少ない場合のインピーダンス変化を示し、図３（ｂ）は、燃料電池１（セル１００）の内部水分量が多い場合のインピーダンス変化を示している。

図３（ａ）に示すように、セル１００の内部水分量が少ないときは、掃気を開始するとほぼ直線的にインピーダンスが立ち上がる。一方、図３（ｂ）に示すように、セル１００の内部水分量が多いときは、セル１００の内部水分量が少ないときに比較して、インピーダンスの上昇速度が遅くなる。これは、セル１００の内部水分量が多いと、セル１００の空気経路１０４ｂに導入された掃気用空気の相対湿度が比較的早く上昇し、蒸発による水分除去の効果が減少するためである。つまり、燃料電池１内部のインピーダンスの上昇速度は、セパレータ１０４に付着した液滴を含めた水分量と相関があるため、インピーダンス１０４の上昇速度から含水量を推定することが可能となる。

具体的に説明すると、図３（ｂ）に示すようにインピーダンスの上昇速度が遅いときは、セパレータ１０４にも水分が多く残っていることが推定される。その為、セル１００の内部水分量が多い状態で掃気処理をする際に、セル１００の内部水分量が少なく比較的乾いた状態から掃気処理をする場合と同じインピーダンスで掃気処理を止めると、セパレータ１０４側に残留する水分が多くなる。この結果、次回の燃料電池１の始動性能を低下させてしまうことがある。このため、セル１００の内部水分量が多いほど、掃気処理を長くし、セル１００の内部水分量が少ないほど、掃気処理を短くする必要がある。

そこで、本実施形態では、掃気初期のインピーダンス上昇速度により、セル１００の内部水分量を推定するように構成している。そして、セル１００の内部水分量が推定できれば、掃気処理を行う時間あるいは掃気処理を停止する掃気終了判定インピーダンスＲ_Fを決めることができ、これらいずれかを用いて掃気を停止すればよい。掃気初期のインピーダンス上昇速度は、掃気処理開始時の燃料電池１のインピーダンスと掃気処理開始時から一定時間ｔ１経過時の燃料電池１のインピーダンスとから算出することができる。

図４は、掃気開始時におけるインピーダンス上昇速度と、掃気処理の終了を判定するためのインピーダンス（制御基準値）との関係を示している。図４は、燃料電池温度Ｔ_FCが一定の場合を示している。

図４に示すように、掃気開始時におけるインピーダンスの上昇速度が大きいほど、掃気終了判定インピーダンスが低くなり、掃気開始時におけるインピーダンスの上昇速度が小さいほど、掃気終了判定インピーダンスが高くなる。また、掃気終了判定インピーダンスは、掃気時の燃料電池温度Ｔ_FC、掃気用空気流量、セル１００の構造、掃気用空気の湿度等によって異なるので、それらを考慮して掃気終了判定インピーダンスを決定する必要がある。本実施形態では、事前に使用するセル１００を用いて条件を変えて掃気終了判定インピーダンスを測定し、インピーダンス上昇速度と掃気終了判定インピーダンスとを関連づけたマップを作成している。このマップでは、燃料電池温度Ｔ_FCをも考慮して作成している。そして、このマップを制御部５０のＲＯＭ等の記憶装置に格納し、制御部５０はマップにしたがって掃気制御を行う。

次に、本実施形態の燃料電池１の掃気処理について説明する。図５は、制御部５０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行う掃気処理を示すフローチャートである。

本制御は、キースイッチがオフになり、燃料電池１の発電が停止することで開始する。まず、ＤＣ−ＤＣインバータ２および二次電池３により燃料電池１に高周波電圧を印加しながら、電圧センサ８で電圧を検出し、電流センサ９で電流を検出し、さらに温度センサ４７で燃料電池温度Ｔ_FCを検出する（Ｓ１０）。そして、電圧値、電流値と燃料電池温度Ｔ_FCからインピーダンスＲ１を算出する（Ｓ１１）。

次に、インピーダンスＲ１が掃気開始判定インピーダンスＲａより小さいか否かを判定する（Ｓ１２）。掃気開始判定インピーダンスＲａは、掃気処理を行うか否かを判定するための基準値となるインピーダンス値であり、燃料電池温度Ｔ_FCを考慮して決定される。

Ｓ１２の判定処理の結果、インピーダンスＲ１が掃気開始判定インピーダンスＲａより大きいと判定された場合には（Ｓ１２：ＮＯ）、セル１００の内部水分量が少ないと推定できるため、掃気処理を行う必要がないと判断し、本制御を終了する。一方、インピーダンスＲ１が掃気開始判定インピーダンスＲａより小さいと判定された場合には（Ｓ１２：ＹＥＳ）、セル１００の内部水分量が多いと推定できるため、掃気処理を行う必要があると判断し、掃気処理を開始する（Ｓ１３）。

具体的には、空気供給装置２２を駆動し、燃料電池１の空気極側に一定流量の空気を供給することで掃気処理を行う。本実施形態では、燃料電池１の空気極側だけに掃気を行うように構成しているが、例えば燃料電池１の水素経路が循環系になっており、循環回路に気液分離器が設けられているシステムであれば、燃料電池１の水素側の掃気も同時に行ってもよい。この場合、図示しない水素循環ポンプにより、循環回路中に水素を循環させることで、気液分離器により液体の水を回収する。

掃気処理開始から所定時間ｔ１待機する（Ｓ１４）。この所定時間ｔ１はインピーダンス上昇速度Ｖ_Rを算出するために設定される時間であり、任意に設定することができる。そして、掃気処理開始から所定時間ｔ１が経過した後で、電圧センサ８により電圧を検出し、電流センサ９で電流を検出して、インピーダンスＲ２を検出する（Ｓ１５）。

次に、掃気処理開始時におけるインピーダンスＲ１と掃気処理開始から所定時間ｔ１経過後におけるインピーダンスＲ２とからインピーダンス上昇速度Ｖ_Rを計算する（Ｓ１６）。次に、インピーダンス上昇速度Ｖ_Rと掃気終了判定インピーダンスＲ_Fとを関連づけたマップを用い、インピーダンス上昇速度Ｖ_Rおよび燃料電池温度Ｔ_FCとに基づいて、掃気終了判定インピーダンスＲ_Fを算出する（Ｓ１７）。

次に、電圧センサ８により電圧を検出し、電流センサ９で電流を検出して、インピーダンスＲ３を検出する（Ｓ１８）。そして、インピーダンスＲ３が掃気終了判定インピーダンスＲ_Fより大きいか否かを判定する（Ｓ１９）。この結果、インピーダンスＲ３が掃気終了判定インピーダンスＲ_Fより大きくないと判定された場合には（Ｓ１９：ＮＯ）、Ｓ１７のインピーダンス検出処理に戻る。一方、インピーダンスＲ３が掃気終了判定インピーダンスＲ_Fより大きいと判定された場合には（Ｓ１９：ＹＥＳ）、掃気処理を終了する（Ｓ２０）。具体的には、空気供給装置２２を停止し、燃料電池１の空気極側への空気供給を停止する。

以上のように、燃料電池１の発電停止後に水分除去のための掃気処理を開始する際に、インピーダンスの上昇速度を求めることで、燃料電池１の内部水分量を精度よく検出することができる。そして、インピーダンスの上昇速度に基づいて掃気処理を終了する掃気終了判定インピーダンスを決定することで、セル１００の内部水分量を適正な状態に管理することができる。これにより、低温環境下で燃料電池１内部で水分が凍結することがなく、また、電解質膜１０１が乾燥しすぎることがないので、次回の燃料電池１の始動性能を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。

上述の図３（ａ）（ｂ）から分かるように、セル１００内部の掃気処理を行うと、燃料電池１のインピーダンスが上昇するが、掃気処理を停止すると急激に燃料電池１のインピーダンスが低下する。この理由としては、掃気処理前の発電状態や掃気処理により、電解質膜１０１に水分布がついており、その分布が均一になろうとして燃料電池１のインピーダンスが低下すると考えられる。他の要因としては、セル１００の水素極側から空気極側にクロスリークした水素が酸素と結合して水ができて、その生成水により燃料電池１のインピーダンスが低下することが考えられる。このように、燃料電池（１）の発電停止直後には、燃料電池１内部の水分状態が安定しない。

しかし、燃料電池１のインピーダンスは、一旦低下した後は安定し、その後は燃料電池１の温度特性に応じてインピーダンスが変化する。燃料電池１のインピーダンスが安定した後のインピーダンス値と燃料電池１の内部水分量については、相関があることを確認している。つまり、燃料電池１のインピーダンスが安定した後のインピーダンス値と燃料電池温度Ｔ_FCがわかれば、セル１００の内部水分量が精度よく推定できる。

このため、本第２実施形態では、車両停止から燃料電池１のインピーダンスが安定すると考えられる所定時間が経過してから燃料電池１のインピーダンスを測定する。本実施形態では、車両停止から３時間以上経過してから燃料電池１のインピーダンスを測定する。そして、測定したインピーダンスに基づいて水分量を推定し、セル１００の内部水分量が過多と判断すれば、空気供給装置２２を駆動して燃料電池１の掃気処理を行い、セル１００内部の水分を除去する。具体的には、測定したインピーダンスが予め設定した基準値を下回っている場合に、空気供給装置２２を駆動して燃料電池１の掃気処理を行う。なお、本第２実施形態は、上記第１実施形態と組み合わせて実施することもできる。

（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態では、掃気処理を終了する条件として、インピーダンス上昇速度に基づいて決定した掃気終了判定インピーダンスを用いたが、これに限らず、インピーダンス上昇速度に基づいて掃気処理を行う掃気時間を決定し、掃気処理開始から掃気時間が経過したら掃気処理を終了するように構成してもよい。

また、上記各実施形態では、燃料電池１のインピーダンスを測定する方法として、燃料電池１に高周波を印加してインピーダンスを測定する高周波インピーダンス法を用いたが、これに限らず、例えば周知の電流遮断法により燃料電池１のインピーダンスを測定してもよい。電流遮断法では、通電状態の燃料電池１に対する電流を瞬時に遮断し、電流遮断時に電池両端電圧の傾きが変化する変曲点と通電状態との電位差と、通電電流からインピーダンスを求めることができる。

また、上記実施形態では、制御部５０がインピーダンス上昇速度に基づいて掃気終了判定インピーダンスを決定する際に、燃料電池温度Ｔ_FCを考慮して掃気終了判定インピーダンスを決定するように構成したが、燃料電池温度Ｔ_FCのみならず、セパレータ１０４の空気経路１０４ｂに供給される空気流量や空気湿度を考慮して掃気終了判定インピーダンスを決定するように構成してもよい。これにより、より精度よく掃気終了判定インピーダンスを決定することができる。空気流量はエアフロセンサ２４にて検出すればよく、空気湿度は空気供給配管２０における加湿器２５の下流側に湿度検出手段としての湿度センサを設け、これにより検出すればよい。また、制御部５０は掃気終了判定インピーダンスを決定する際、燃料電池温度Ｔ_FC、空気流量、空気湿度のすべてを用いてもよく、一部のみを用いてよい。

上記各実施形態の燃料電池システムの構成図である。 （ａ）は燃料電池の断面図であり、（ｂ）はセパレータの側面図である。 セル内部の水分除去のために掃気処理を行った場合における燃料電池のインピーダンスＲの経時的変化を示す特性図である。 掃気開始時におけるインピーダンス上昇速度と、掃気処理の終了を判定するための掃気終了判定インピーダンスとの関係を示す特性図である。 上記第１実施形態の掃気処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池、２…ＤＣ−ＤＣコンバータ、３…二次電池、４…走行用インバータ、５…走行用モータ、６…Ｗ／Ｐ用インバータ、７…圧縮機用インバータ、８…電圧センサ、９…電流センサ、２０…空気供給配管、２１…空気放出配管、２２…空気供給装置、圧縮機用モータ、２４…エアフロセンサ、２５…加湿装置、２６…調圧装置、３０…水素供給経路、３１…水素排出経路、３２…水素供給装置、３３、３５、３６…シャット弁、３４…調圧装置、４０…冷却水経路、４１…ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）、４２…Ｗ／Ｐ用モータ、４４…ラジエータ、４７…温度センサ、５０…制御部（ＥＣＵ）。

Claims (9)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池セル（１００）を複数枚積層した燃料電池（１）と、
   前記燃料電池（１）の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段（８、９）と、
   前記燃料電池（１）の内部に存在する水分を除去する水分除去手段（２２）と、
   前記水分除去手段（２２）による水分除去を制御する制御手段（５０）とを備え、
   前記制御手段（５０）は、前記水分除去手段（２２）による水分除去を行っている際の前記内部抵抗の上昇速度を演算し、前記上昇速度に基づいて前記水分除去手段（２２）による前記水分除去の終了条件を決定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水分除去手段は、前記燃料電池（１０）内に空気流を供給し、前記燃料電池（１０）内に滞留している水を除去する掃気処理を行う掃気手段（２２）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池（１）の温度を検出する温度検出手段（４７）と、前記燃料電池（１）に供給される空気の流量を検出する空気流量検出手段（２４）と、前記燃料電池（１）に供給される空気の湿度を検出する空気湿度検出手段の少なくとも１つを備え、
   前記制御部（５０）は、前記水分除去手段（２２）による水分除去を開始する際における、前記燃料電池温度と、前記空気流量と、前記空気湿度の少なくとも１つを用いて前記水分除去の終了条件を決定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段（５０）は、前記上昇速度に基づいて前記水分除去の終了を判定するための基準となる終了判定用内部抵抗を決定するとともに、
   前記水分除去の終了条件は、前記内部抵抗が前記終了判定用内部抵抗を上回った場合であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段（５０）は、前記上昇速度に基づいて前記水分除去の終了を判定するための基準となる終了判定用時間を決定するとともに、
   前記水分除去の終了条件は、前記水分除去処理を開始してからの経過時間が前記終了判定用時間を越えた場合であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記内部抵抗測定手段（８、９）は、高周波インピーダンス法により前記燃料電池（１）の内部抵抗を測定するものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記内部抵抗測定手段は、電流遮断法により前記燃料電池（１）の内部抵抗を測定するものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１）の発電停止後、前記燃料電池（１）の内部抵抗が安定する時間が経過後、前記燃料電池（１）の内部抵抗を測定し、前記内部抵抗に基づいて前記燃料電池（１）の内部に存在する水分量が基準値を上回っていると判定された場合に、前記水分除去手段（２２）による水分除去を行うことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池セル（１００）を複数枚積層した燃料電池（１）と、
   前記燃料電池（１）の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段（８、９）と、
   前記燃料電池（１）の内部に存在する水分を除去する水分除去手段（２２）と、
   前記水分除去手段（２２）による水分除去を制御する制御手段（５０）とを備え、
   前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１）の発電停止後、前記燃料電池（１）の内部抵抗が安定する時間が経過した後、前記燃料電池（１）の内部抵抗を測定し、前記内部抵抗に基づいて前記燃料電池（１）の内部に存在する水分量が基準値を上回っていると判定された場合に、前記水分除去手段（２２）による水分除去を行うことを特徴とする燃料電池システム。

Images