JP2008108434A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムの停止時における、燃料電池のインピーダンス計測および掃気制御を適切に行なうことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本実施形態は、燃料電池１の状態の監視および制御を行なう制御部５０を備える燃料電池システムにおいて、制御部５０は、燃料電池１への燃料ガスの供給を停止した後に、燃料電池１中の水分を外部に排出させる掃気処理を実行し、燃料電池１の掃気処理中において断続的に燃料電池１のインピーダンスを計測するものであって、燃料電池１の掃気処理中において、断続的に燃料電池１に燃料ガスを供給すること、を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池の残量水分量を把握するためのインピーダンス計測に関する。
外部温度が低い場合には、燃料電池システムの停止後に、その内部に残存していた水が凍結し、配管や弁などが破損するという問題がある。このような問題に鑑み、燃料電池システムの停止時に掃気処理を行なうことで燃料電池内部に溜まった水分を外部に排出する方法が提案されている（特許文献１参照）。
燃料電池の内部水分量は、燃料電池のインピーダンスと相関関係がある。現在では、燃料電池のインピーダンスを計測することにより、間接的に燃料電池内部の水分量を把握することが行なわれている（特許文献２参照）。
特開２００５−１４１９４３号公報 特開２００３−８６２２０号公報
しかしながら、燃料電池のインピーダンスを計測するためには、燃料電池から電流を出力させる、すなわち発電させる必要がある。燃料電池停止時におけるインピーダンス計測では、水素の供給が停止されているため、燃料電池内および供給配管内に残留する水素を利用して出力される電流を検出して、インピーダンスが計測される。インピーダンス計測に伴って水素が消費されていくため、残留水素が少なくなった場合には、インピーダンス計測ができないという問題がある。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池システムの停止時における、燃料電池のインピーダンス計測および掃気制御を適切に行なうことができる燃料電池システムを提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池の状態の監視および制御を行なう制御部を備える燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池中の水分を外部に排出させる掃気処理を実行し、前記燃料電池の掃気処理中において断続的に前記燃料電池のインピーダンスを計測するものであって、前記燃料電池の掃気処理中において、断続的に前記燃料電池に燃料ガスを供給すること、を特徴とする。
上記の本発明では、燃料電池システムの停止時において、燃料電池への燃料ガスの供給を停止する。燃料ガスの供給を停止した後に、燃料電池の掃気処理が実行される。ここで、掃気処理とは、燃料電池にガスを供給し、供給したガスとともに燃料電池内の水分を外部に排出させる処理をいう。掃気処理を行なうためのガスの種類に限定はなく、例えば、酸化ガス（空気等）でも燃料ガス（水素等）でもよい。また、ここで燃料電池の停止時とは、完全なシステム停止時の他、一時的な運転中断時も含む。
燃料電池の掃気処理中において、断続的に燃料電池のインピーダンスが計測される。燃料電池のインピーダンスは、燃料電池内の水分量と相関関係がある。このインピーダンス計測において、燃料電池内に残留する燃料ガスが消費される。このため、燃料ガスの残留量が少なくなると、インピーダンス計測が困難になる。
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の掃気処理中において、断続的に燃料電池に燃料ガスを供給することにより、インピーダンス計測に必要な量の燃料ガスを確保することができる。このため、燃料電池システムの停止時においてインピーダンス計測処理および掃気処理を安定して実施することができることから、燃料電池の水分量を適切に管理することができる。
元弁を備える燃料ガス供給源と、前記燃料電池および前記燃料ガス供給源に連通する燃料ガス供給路と、を備える前記燃料ガス配管系を有し、前記燃料ガス供給路の圧力が基準値以下の場合に、前記燃料ガス供給源の元弁を開放して前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する。燃料電池に連通する燃料ガス供給路内の圧力が基準値以下となった場合に、燃料ガス供給源の元弁を開放することにより、インピーダンス計測に必要な量の燃料ガスを供給することができる。
元弁を備える燃料ガス供給源と、前記燃料電池および前記燃料ガス供給源に連通する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に弁を介して連通するバッファタンクと、を備える前記燃料ガス配管系を有し、前記燃料ガス供給路の圧力が基準値以下の場合に、前記バッファタンクの弁を開放して前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する。特に保安上の理由により燃料電池システム停止後に元弁を開放することができない場合に、本発明は有効である。
前記燃料ガス供給路の圧力が所定の基準値以上となった場合に前記燃料ガスの供給を停止する。
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス配管系を備え、前記酸化ガス配管系を通じて前記燃料電池に酸化ガスを供給することにより、前記掃気処理を行なう。これにより、酸化ガスと共に燃料電池内の水分を外部に排出することができる。
上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に供給する燃料ガスを収容し、元弁を備える燃料ガス供給源と、前記燃料電池と前記燃料ガス供給源とを繋ぐ燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路内の圧力を検出する圧力検出器と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス配管系と、前記燃料電池および前記燃料ガス供給路内の状態を監視し、前記燃料ガス供給源、前記酸化ガス配管系の動作を制御する制御部と、を備える燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記元弁を閉鎖した後に、前記酸化ガス配管系からの酸化ガス供給量を制御して前記燃料電池の掃気処理を行ない、前記燃料電池の掃気処理中において、断続的に前記燃料電池のインピーダンスを計測し、前記燃料電池の掃気処理中において、前記圧力検出器により検出された圧力が基準値以下の場合に、前記燃料ガス供給路を通じて前記燃料電池に前記燃料ガスを供給させる。
上記の本発明では、燃料電池システムの停止時において、燃料ガス供給源の元弁を閉鎖することにより、燃料電池への燃料ガスの供給を停止する。燃料ガスの供給を停止した後に、酸化ガス配管系から燃料電池に酸化ガスが供給されて、燃料電池の掃気処理が実行される。ここで燃料電池の停止時とは、完全なシステム停止時の他、一時的な運転中断時も含む。
燃料電池の掃気処理中において、制御部により、断続的に燃料電池のインピーダンスが計測される。燃料電池のインピーダンスは、燃料電池内の水分量と相関関係がある。このインピーダンス計測において、燃料電池内に残留する燃料ガスが消費される。このため、燃料ガスの残留量が少なくなると、インピーダンス計測が困難になる。
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の掃気処理中において、圧力検出器による燃料ガス供給路の検出圧力が基準値以下の場合に、燃料ガス供給路を通じて燃料電池に燃料ガスを供給することにより、インピーダンス計測に必要な量の燃料ガスを確保することができる。このため、燃料電池システムの停止時においてインピーダンス計測処理および掃気処理を安定して実施することができることから、燃料電池の水分量を適切に管理することができる。
本発明によれば、燃料電池システムの停止時における、燃料電池のインピーダンス計測および掃気制御を適切に行なうことができる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態では、一例として電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムについて説明する。
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１に供給する燃料ガス配管系１０と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１に供給する酸化ガス配管系２０と、燃料電池に冷媒を供給して燃料電池１を冷却する冷媒配管系３０と、システムの電力を充放電する電力系４０と、システム全体の状態の監視および制御を行なう制御部５０とを備えている。
燃料電池１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、セル（単セル）を複数積層したスタック構造となっている。各セルは、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)とから構成される。ＭＥＡは、高分子電解質膜を燃料極及び空気極の二つの電極で挟み込んだ構造をしている。燃料極は、燃料極用触媒層と多孔質支持層の積層構造からなる。空気極は、空気極用触媒層と多孔質支持層の積層構造からなる。燃料電池は、水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、陰極（カソード）である燃料極側には燃料ガスである水素ガスが供給され、陽極（アノード）である空気極側には酸素を含んだガス（空気）が供給され、燃料極側では式（１）のような反応を、空気極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（２）
燃料ガス配管系１０は、水素ガス供給源１１と、水素ガス供給源１１から燃料電池１に供給される水素ガスが流れる水素ガス供給路（燃料ガス供給路）１２と、燃料電池１から排出された水素オフガスを水素ガス供給路１２に戻すための循環路１３と、循環路１３に設けられた気液分離器１４、水素ポンプ１５及び回収タンク１６と、循環路１３に分岐接続された排出路１７と、を有する。水素ガスは、水素ガス供給路１２を通じて供給されるほか、循環路１３を通じて供給される。
水素ガス供給源（燃料ガス供給源）１１は、高圧水素タンク、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、液体水素タンク、液化燃料タンク等により構成される。水素ガス供給源１１の供給口には、元弁ＳＶ１が設けられている。制御部５０の制御信号によって元弁ＳＶ１の開閉が制御され、水素ガスを水素ガス供給路１２に供給するかまたは遮断するかが選択される。
水素ガス供給路１２には調圧弁ＲＧが設けられている。調圧弁ＲＧの調整量は、空気極側のコンプレッサ２２の運転状態によって定まるようになっている。すなわち、制御部５０によるコンプレッサ２２の駆動、遮断弁ＳＶ８及び遮断弁ＳＶ９に対する操作により循環路１３の圧力が調整される。例えば、遮断弁ＳＶ８を開放させることによって調圧弁ＲＧへの供給空気圧を上昇させ水素ガス供給路１２への供給圧力を上昇させ、遮断弁ＳＶ９を開放させることによって調圧弁ＲＧへの供給空気圧を下降させ水素ガス供給路１２への供給圧力を下降させる。
燃料電池入口遮断弁ＳＶ２は、通常運転の際には開放されており、燃料電池システムの停止時やガス漏れ実施の際に制御部５０の制御信号に基づいて閉鎖される。燃料電池出口遮断弁ＳＶ３も、通常運転の際には開放されており、燃料電池システムの停止時に制御部５０からの制御信号に基づいて閉鎖される。燃料電池システムの停止時に圧力センサｐ１は、調圧弁ＲＧよりも上流側における水素ガス供給路１２内の圧力を検出する。圧力センサｐ２は、調圧弁ＲＧよりも下流側における水素ガス供給路１２内の圧力を検出する。
気液分離器１４は、通常運転時において燃料電池１の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、気液分離器用遮断弁ＳＶ４を通じて外部に放出するものである。水素ポンプ１５は、制御部５０からの制御信号に基づいて、循環路１３中に水素ガスを強制循環させる。特に、循環路１３は発電停止時にも水素ガスを強制的に送り出し回収タンク１６内に蓄積させるように動作する。
排出路１７には、パージ遮断弁ＳＶ５が設けられている。制御部５０からの制御信号に基づいて、パージ遮断弁ＳＶ５が通常運転時に適宜開くことにより、水素オフガス中の水分その他の不純物が水素オフガスとともに希釈器１８に排出される。パージ遮断弁ＳＶ５を開くことにより、循環路１３中の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。また、パージ遮断弁ＳＶ５は、燃料電池システムの停止時には開放され、循環路１３内の圧力を下げるようになっている。
回収タンク１６は、循環路１３内に滞留している水素を貯留可能な容積を備え、発電停止時には水素ポンプ１５の駆動により循環路１３中に滞留している水素ガスを貯留するようになっている。循環路遮断弁ＳＶ６は、通常運転時には開放されているが、発電停止時においてバッファタンク１６に水素ガスが貯留された後は酸化ガス配管系２０の制御信号によって遮断されるようになっている。また、始動時にバッファタンク１６内の水素ガスが消費されるまでの間も閉鎖されるようになっている。
酸化ガス配管系２０は、エアクリーナ２１と、コンプレッサ２２と、加湿器２３を備えている。エアクリーナ２１は、外気を浄化して燃料電池システムに取り入れる。コンプレッサ２２は、取り入れられた空気を制御部５０の制御信号に基づいて圧縮することによって燃料電池１に供給される空気量や空気圧を変更するようになっている。加湿器２３は圧縮された空気と空気オフガスとの間で水分の交換を行なって適切な湿度を加える。加湿器２３による圧縮された空気の加湿の度合いは調整可能である。このため、後述するように、酸化ガス配管系２０を用いて燃料電池１の掃気処理が行われる。掃気処理とは、燃料電池１にガスを供給し、供給したガスとともに燃料電池２内の水分を外部に排出させる処理をいう。コンプレッサ２２により圧縮された空気の一部は調圧弁ＲＧの制御のために供給され、遮断弁ＳＶ８−ＳＶ９間の区間の空気圧が調圧弁ＲＧのダイアフラムに印加されるようになっている。燃料電池１から排出された空気オフガスは希釈器１８に供給され、水素オフガスを希釈するようになっている。
冷媒配管系３０は、ラジエータ３１と、加湿器２３と、冷却水ポンプ３３とを備え、冷却水が燃料電池１内部に循環供給されるようになっている。
電力系４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、バッテリ４２と、インバータ４３と、トラクションモータ４４とを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ４２から入力された直流電圧を調整してインバータ４３側に出力する機能と、燃料電池１又はトラクションモータ４４から入力された直流電圧を調整してバッテリ４２に出力する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１のこれらの機能により、バッテリ４２の充放電が実現される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１により、燃料電池１の出力電圧が制御される。
バッテリ４２は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。その他、種々のタイプの二次電池を適用することができる。また、バッテリ４２に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。バッテリ４２は、燃料電池１の充放電経路に挿入され、燃料電池１と並列接続されている。インバータ４３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ４４に供給する。トラクションモータ４４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システムが搭載される例えば車両の主動力源を構成する。
制御部５０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、後述するインピーダンス計測および掃気制御など、種々の処理や制御を行なう。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部５０は、燃料ガス配管系１０、酸化ガス配管系２０及び冷媒配管系３０に用いられる各種のセンサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。制御部５０は、各センサ信号を利用して以下に示す燃料電池１のインピーダンス計測を行い、計測結果に基づき掃気制御を行なう。
図２は、インピーダンス計測及び掃気制御を行なう制御部５０の機能ブロック図である。
図２に示すように、制御部５０は、目標電圧決定部５１と、重畳信号生成部５２と、電圧指令信号生成部５３と、インピーダンス演算部５４と、掃気処理制御部５５とを備えている。
目標電圧決定部５１は、出力目標電圧（例えば３００Ｖなど）を決定し、これを電圧指令信号生成部５３に出力する。
重畳信号生成部５２は、出力目標電圧に重畳すべきインピーダンス計測用信号（例えば、振幅値２Ｖの低周波領域のサイン波など）を生成し、これを電圧指令信号生成部５３に出力する。なお、出力目標電圧やインピーダンス計測用信号の各パラメータ（波形の種類、周波数、振幅値）は、システム設計などに応じて適宜設定すればよい。
電圧指令信号生成部５３は、出力目標電圧にインピーダンス計測用信号を重畳し、電圧指令信号ＶｆｃｒとしてＤＣ／ＤＣコンバータ４１に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、与えられる電圧指令信号Ｖｆｃｒに基づき燃料電池１などの電圧制御を行なう。
インピーダンス演算部５４は、電圧センサ４５によって検出される燃料電池１の電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆ及び電流センサ４６によって検出される燃料電池１の電流（ＦＣ電流）Ｉｆを所定のサンプリングレートでサンプリングし、フーリエ変換処理（ＦＦＴ演算処理やＤＦＴ演算処理）などを施す。インピーダンス演算部５４は、フーリエ変換処理後のＦＣ電圧信号をフーリエ変換後のＦＣ電流信号で除するなどして燃料電池１のインピーダンスを求め、インピーダンス比較部５５に出力する。
インピーダンス比較部５５は、インピーダンス演算部５４から燃料電池１のインピーダンス（以下、測定インピーダンスＺ）を受け取ると、メモリに格納されているインピーダンス基準値Ｚ０を参照する。インピーダンスが高いほど、燃料電池内の水分量が少ない。このため、一般に、インピーダンス基準値Ｚ０は、燃料電池内での水の凍結等を防ぐために設定されるインピーダンスの下限値である。インピーダンス基準値Ｚ０は、環境温度毎に設定してメモリに格納しておくことが好ましい。
インピーダンス比較部５５は、インピーダンス演算部５４から入力した測定インピーダンスＺと、インピーダンス基準値Ｚ０とを比較する。測定インピーダンスＺが、インピーダンス基準値Ｚ０よりも高い場合には、燃料電池１内の水分量が少ないため、掃気処理を終了すべき旨（又は掃気処理を最初から実行しない旨）を掃気処理制御部５６に通知する。また、測定インピーダンスＺが、インピーダンス基準値Ｚ０よりも低い場合には、燃料電池１内の水分量が多いため、掃気処理を継続すべき旨（又は掃気処理を開始すべき旨）を掃気処理制御部５６に通知する。
掃気処理制御部５６は、インピーダンス比較部５５からの通知内容に沿って掃気制御を実行する。掃気制御のため、掃気処理制御部５６は、コンプレッサ２２の回転数を制御する。これにより、燃料電池１へ乾燥空気が供給されて、燃料電池１内の水が空気とともに排出される。
次に、上記の燃料電子システムの通常運転における動作を説明する。
通常運転時（燃料電池１の発電時）、当該燃料電池システムでは、元弁ＳＶ１を開放し、水素ガスを水素ガス供給路１２に供給しつつ、遮断弁ＳＶ８及び遮断弁ＳＶ９の開閉により調圧弁ＲＧのダイアフラムにかかる空気圧が調整され、水素ガス供給路１２内の水素ガスの圧力が所望の燃料ガス圧力に制御される。燃料電池入口遮断弁ＳＶ２及び燃料電池出口遮断弁ＳＶ３、循環路遮断弁ＳＶ６及び循環路遮断弁ＳＶ７が開放され、水素ガスが循環路１３内を循環しながら燃料電池１の燃料極に供給される。
また、コンプレッサ２２が適宜駆動され、加湿器２３で湿度が加えられた空気が燃料電池１の空気極に供給され、空気オフガスが希釈器１８に排出される。適当なタイミングでパージ遮断弁ＳＶ５が開放されて、排出路１７を通って水分等を含んだ水素オフガスが希釈器１８に供給され、空気オフガスによって希釈されて排出される。
次に、上記の燃料電池システムのシステム終了処理について説明する。図３は、燃料電池システムの終了処理時における掃気制御処理のフローチャートである。
燃料電池システムのシステム終了処理は、例えば、イグニッションキー（ＩＧ）がオフ（ＯＦＦ）になることにより開始する（ステップＳＴ１）。なお、自動車に搭載する燃料電池システム以外の場合には、何らかのシステム終了信号を契機として、以下の処理を実行すればよい。イグニッションキーがオフになると、制御部５０からの制御信号により元弁ＳＶ１および循環路遮断弁ＳＶ７が閉鎖される（ステップＳＴ２）。水素ガス供給源１１およびバッファタンク１６からの水素ガスの供給を止めて、発電を停止させるためである。ただし、水素ガス供給源１１からの水素ガスの供給が停止しても、水素ガス供給路１２内に残留する水素により若干の発電がなされる。
次に、燃料電池１の掃気処理が開始される（ステップＳＴ３）。掃気処理では、制御部５０によりコンプレッサ２２の回転数が制御され、供給量が調整された乾燥空気が燃料電池１へ供給される。掃気開始後に、後述する圧力制御処理がなされる（ステップＳＴ４）。圧力制御処理により、水素ガス供給路１２の圧力が所定範囲に維持される。これにより、水素ガス供給路１２内の水素ガスの残留量が一定範囲に維持される。
燃料電池１の掃気処理中において、制御部５０により燃料電池１のインピーダンス（測定インピーダンス）Ｚが計測される（ステップＳＴ５）。そして、測定インピーダンスＺがインピーダンス基準値Ｚ０よりも低い場合には（ステップＳＴ６）、燃料電池１内の水分量が多いため、燃料電池１の掃気処理が継続して行われる。一定時間時間を経たか否かが確認され（ステップＳＴ７）、一定時間を経た場合には、再び燃料電池１のインピーダンスが計測される（ステップＳＴ５）。これにより、燃料電池１の掃気処理中において、断続的にインピーダンスが計測される。
燃料電池１の測定インピーダンスＺが、インピーダンス基準値Ｚ０よりも大きくなると（ステップＳＴ６）、制御部５０によりコンプレッサ２２を停止させることにより、掃気を停止する（ステップＳＴ８）。そして、燃料電池システムの終了処理が終了し、燃料電池システムは完全に停止することとなる。なお、特に限定はないが、燃料電子システムの終了処理を終えた後に、制御部５０からの制御信号により、必要に応じて、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２および燃料電池出口遮断弁ＳＶ３が閉鎖される。
上記のシステム終了処理におけるインピーダンス計測は、水素ガス供給路１２内に残留する水素を利用して燃料電池１から電流を出力することにより行なわれる。従って、インピーダンス計測をしている間は水素が消費されていく。水素ガス供給路１２内の残留水素が少なくなると、燃料電池１の出力電流が小さくなり、電流センサ４６により電流を検出できなくなる。本実施形態では、これを防止するため、システム終了処理において水素ガス供給路１２の圧力制御を実施するものである。
図４は、システム終了処理における圧力制御処理を示すフローチャートである。図５（ａ）は、システム終了処理過程における水素ガス供給路１２内の圧力変化を示す図であり、図５（ｂ）は本実施形態における元弁ＳＶ１の開閉状態を示す図である。
図４に示すように、システム終了処理中において、水素ガス供給路１２内の圧力を圧力センサｐ２により検出する。検出された圧力は、制御部５０に出力される。図５（ａ）に示すように、イグニッションキー（ＩＧ）がオフ（ＯＦＦ）した後にも、燃料電池１により水素が消費されることから、水素ガス供給路１２内の圧力は、徐々に減少する。
制御部５０では、圧力センサｐ２による検出圧力Ｐと、圧力下限値Ｐ１とが比較される（ステップＳＴ１２）。検出圧力Ｐが圧力下限値Ｐ１よりも大きい場合には、そのまま処理が続行される。圧力下限値Ｐ１は、電流センサ４６で検出可能な電流下限値を得るのに必要な水素量と、水素ガス供給路１２の容積等から求められる。なお、実験により、予め電流下限値を得るのに必要な圧力を求めてもよい。
検出圧力Ｐが圧力下限値Ｐ１よりも小さくなった場合には、制御部５０からの制御信号により元弁ＳＶ１を開放させる（ステップＳＴ１３）。このとき、元弁ＳＶ１を一定時間だけ開放させた後に、閉じても良い。本実施形態では、圧力上限値Ｐ２を設定し、制御部５０において検出圧力と圧力上限値とを比較し（ステップＳＴ１４）、検出圧力が圧力上限値Ｐ２に達した後に、元弁ＳＶ１を閉鎖する（ステップＳＴ１５）。圧力上限値Ｐ２は１回のインピーダンス計測に必要な水素量が存在する圧力が確保されるように定められるが、特に限定はない。これにより、水素ガス供給路１２に必要な水素が供給される。システム終了処理中において、上記のステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１５の処理が繰り返し行われる。
上記の本実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムの終了処理において、水素ガス供給路１２内の圧力を一定範囲内に制御することにより、インピーダンス計測に必要な量の水素を確保することができる。このため、システム終了処理においてインピーダンス計測処理および掃気処理を安定して実施することができることから、燃料電池の水分量を適切に管理することができる。
（第２実施形態）
第２実施形態では、水素ガス供給源１１の元弁ＳＶ１は開放せずに、他の供給源から水素ガスを補給する例について説明する。本例では、バッファタンク１６の水素を利用する。
図６は、システム終了処理における圧力制御処理を示すフローチャートである。
図６に示すように、システム終了処理中において、水素ガス供給路１２内の圧力を圧力センサｐ２により検出する（ステップＳＴ２１）。検出された圧力は、制御部５０に出力される。図５（ａ）に示すように、イグニッションキー（ＩＧ）がオフ（ＯＦＦ）した後にも、燃料電池１により水素が消費されることから、水素ガス供給路１２内の圧力は、徐々に減少する。なお、このとき、燃料ガス配管系１０において、元弁ＳＶ１及び循環路遮断弁ＳＶ７は閉鎖され、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２、燃料電池出口遮断弁ＳＶ３及び循環路遮断弁ＳＶ６が開放されている状態にある。
制御部５０では、圧力センサｐ２による検出圧力Ｐと、圧力下限値Ｐ１とが比較される（ステップＳＴ２２）。検出圧力Ｐが圧力下限値Ｐ１よりも大きい場合には、そのまま処理が続行される。
検出圧力Ｐが圧力下限値Ｐ１よりも小さくなった場合には、制御部５０からの制御信号により循環路遮断弁ＳＶ７を開放させる（ステップＳＴ２３）。このとき、循環路遮断弁ＳＶ７を一定時間だけ開放させた後に、閉じても良い。本実施形態では、圧力上限値Ｐ２を設定し、制御部５０において検出圧力と圧力上限値とを比較し（ステップＳＴ２４）、検出圧力が圧力上限値Ｐ２に達した後に、循環路遮断弁ＳＶ７を閉鎖する（ステップＳＴ２５）。圧力上限値の定め方に限定はない。バッファタンク１６には、一定量の水素が貯留されていることから、循環路遮断弁ＳＶ７を開放することにより、バッファタンク１６から水素ガス供給路１２に必要な水素が供給される。システム終了処理中において、上記のステップＳＴ２１〜ステップＳＴ２５の処理が繰り返し行われる。
上記の本実施形態に係る燃料電池システムは、特に保安上の理由により燃料電池システム終了処理において元弁ＳＶ１を開放することができない場合に、有効である。
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、システムの完全停止時だけでなく、断続的に燃料電池１を止める間欠モードにおいて本発明を適用することができる。また、圧力を測定して、水素を補充するだけでなく、予め適切に設定したインターバル毎に水素を一定量（一定期間）補充するようにしてもよい。
例えば、第１実施形態では、バッファタンク１６はなくてもよい。また、バッファタンク１６を設ける位置は、第２実施形態で説明した位置に限定されず種々に設計変更することが可能である。また、本発明の圧力検出器の位置は種々変更可能であり、圧力検出器として圧力センサｐ１を用いても良い。また、燃料電池システムの燃料ガス配管系１０、酸化ガス配管系２０、冷媒配管系３０、電力系４０については、種々の変更が可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
第１および第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本実施形態に係る制御部の構成を示す図である。 システム終了処理におけるフローチャートである。 システム終了処理時の圧力制御処理のフローチャートである。 （ａ）はシステム終了処理時の圧力変化を示す図であり、（ｂ）はシステム終了処理時の弁の開閉動作を示す図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
符号の説明
１…燃料電池、１０…燃料ガス配管系、１１…水素ガス供給源、１２…水素ガス供給路、１３…循環路、１４…気液分離器、１５…水素ポンプ、１６…バッファタンク、１７…排出路、１８…希釈器、２０…酸化ガス配管系、２１…エアクリーナ、２２…コンプレッサ、２３…加湿器、３０…冷媒配管系、３１…ラジエータ、３２…ファン、３３…冷却水ポンプ、４０…電力系、４１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、４２…バッテリ、４３…インバータ、４４…トラクションモータ、４５…電圧センサ、４６…電流センサ、５０…制御部、５１…目標電圧決定部、５２…重畳信号生成部、５３…電圧指令信号生成部、５４…インピーダンス演算部、５５…インピーダンス比較部、５６…掃気処理制御部、ｐ１〜ｐ３…圧力センサ、Ｐ１…圧力下限値、Ｐ２…圧力上限値、ＲＧ…調圧弁、ＳＶ１…元弁、ＳＶ２…燃料電池入口遮断弁、ＳＶ３…燃料電池出口遮断弁、ＳＶ４…気液分離器用遮断弁、ＳＶ５…パージ遮断弁、ＳＶ６…循環路遮断弁、ＳＶ８〜ＳＶ９…遮断弁、ＳＶ７…循環路遮断弁

Claims (6)

  1. 燃料電池の状態の監視および制御を行なう制御部を備える燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、
    前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池中の水分を外部に排出させる掃気処理を実行し、前記燃料電池の掃気処理中において断続的に前記燃料電池のインピーダンスを計測するものであって、
    前記燃料電池の掃気処理中において、断続的に前記燃料電池に燃料ガスを供給すること、
    を特徴とする燃料電池システム。
  2. 元弁を備える燃料ガス供給源と、前記燃料電池および前記燃料ガス供給源に連通する燃料ガス供給路と、を備える前記燃料ガス配管系を有し、
    前記燃料ガス供給路の圧力が基準値以下の場合に、前記燃料ガス供給源の元弁を開放して前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 元弁を備える燃料ガス供給源と、前記燃料電池および前記燃料ガス供給源に連通する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に弁を介して連通するバッファタンクと、を備える前記燃料ガス配管系を有し、
    前記燃料ガス供給路の圧力が基準値以下の場合に、前記バッファタンクの弁を開放して前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する、
    請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料ガス供給路の圧力が所定の基準値以上となった場合に前記燃料ガスの供給を停止する、
    請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス配管系を備え、
    前記酸化ガス配管系を通じて前記燃料電池に酸化ガスを供給することにより、前記掃気処理を行なう、
    請求項１記載の燃料電池システム。
  6. 燃料電池と、
    前記燃料電池に供給する燃料ガスを収容し、元弁を備える燃料ガス供給源と、
    前記燃料電池と前記燃料ガス供給源とを繋ぐ燃料ガス供給路と、
    前記燃料ガス供給路内の圧力を検出する圧力検出器と、
    前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス配管系と、
    前記燃料電池および前記燃料ガス供給路内の状態を監視し、前記燃料ガス供給源、前記酸化ガス配管系の動作を制御する制御部と、を備える燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、
    前記元弁を閉鎖した後に、前記酸化ガス配管系からの酸化ガス供給量を制御して前記燃料電池の掃気処理を行ない、前記燃料電池の掃気処理中において、断続的に前記燃料電池のインピーダンスを計測し、
    前記燃料電池の掃気処理中において、前記圧力検出器により検出された圧力が基準値以下の場合に、前記燃料ガス供給路を通じて前記燃料電池に前記燃料ガスを供給させる、
    燃料電池システム。
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