JP2009048816A - 燃料電池システム、燃料電池自動車、および、電解質膜の抵抗検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜の抵抗検出に起因する燃料電池の劣化を抑制し、システムの運転状態に基づいて、電解質膜の抵抗検出の開始を判定する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】システムの運転状態を検出する運転状態と、燃料電池スタック１から取り出される電流と、燃料電池スタックにおける電圧との時系列的な推移に基づいて、電解質膜の抵抗検出を行っており、システムの運転状態に基づいて、電解質膜の抵抗検出の開始が判定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム、当該燃料電池システムを動力源とする燃料電池自動車、および、燃料電池システムの燃料電池スタックにおける電解質膜の抵抗検出方法に関する。

従来より、電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した構造体で構成される燃料電池が知られている。この燃料電池では、発電効率や電解質膜の破損を抑制する観点から、電解質膜の抵抗を検出することが行われる。

例えば特許文献１には、燃料電池から取り出す電流を変動させ、その際の燃料電池の電圧応答を計測し、電圧と電流とをフーリエ変換して燃料電池のインピーダンスを計測することにより、このインピーダンスの周波数特性から電解質膜の抵抗を検出する手法が開示されている。また、電解質膜の抵抗を検出する手法としては、これ以外にも、燃料電池から交流電流を取り出し電圧応答の振幅と遅れから燃料電池のインピーダンスを計測する交流インピーダンス法や、燃料電池から取り出す電流を遮断した時の電圧応答波形から燃料電池のインピーダンスを割り出す電流遮断法を用いて電解質膜の抵抗を割り出す方法が公知の技術として知られている。
特開２００５−６３９４６号公報

しかしながら、電解質膜の抵抗を検出するために、燃料電池から取り出す電流（または電圧）を変化させる必要があり、頻繁に電解質膜の抵抗検出を行うと、電流（または電圧）が変化する頻度が増加し、燃料電池が劣化してしまう可能性がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電解質膜の抵抗検出に起因する燃料電池の劣化を抑制することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池スタックから取り出される電流と、燃料電池スタックにおける電圧との時系列的な推移に基づいて、電解質膜の抵抗検出を行っており、システムの運転状態に基づいて、電解質膜の抵抗検出の開始を判定する。

本発明によれば、運転状態に合わせて検出を行うことができるため、検出にともなう燃料電池スタックの劣化を抑制しつつ、電解質膜の抵抗を検出することができる。

図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図である。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持した単位セルを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、個々の燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、個々の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。

この燃料電池スタック１を備える燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。

水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元弁（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元弁が開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧弁１１によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素調圧弁１１は、自己に設定される開度に応じて燃料電池スタック１へ供給される水素の圧力を調整する機能を担っており、後述する制御装置３０によってその開度が制御される。

燃料極からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、水素循環流路Ｌ２へと排出される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素調圧弁１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されている。水素循環流路Ｌ２と水素供給流路Ｌ１との合流部にはエゼクタが、また、この合流部よりも下流側の水素供給流路Ｌ１には水素循環ポンプ１３が設けられており、これらの循環手段により、燃料極側からの排出ガスは、水素循環流路Ｌ２を通り水素供給流路Ｌ１（すなわち、燃料極における水素の供給側）へと循環される。水素循環ポンプ１２の駆動量、すなわち、その回転数は、燃料電池スタック１へ供給される水素流量が所望の値となるように、制御装置３０によって制御される。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極を含む水素循環流路Ｌ２内での不純物量が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。不純物量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１の出力が低下したり、エゼクタ１２および水素循環ポンプ１３を含む水素循環手段によって水素を循環させることができなくなったりして、安定した発電を行うことができなくなる。そのため、燃料極および水素循環流路Ｌ２内の不純物量を管理する必要があり、水素循環流路Ｌ２には、これを流れるガスを外部に排出する不純物排出流路Ｌ３が設けられている。この不純物排出流路Ｌ３には、パージ弁１４が設けられており、このパージ弁１４の開き量を調整することにより、不純物排出流路Ｌ３を介して外部に排出される不純物量を調整することができる。パージ弁１３は、燃料極および水素循環流路Ｌ２内に存在する不純物量が発電性能および循環性能を維持できるように、その開き量が制御装置３０によって制御される。

空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２０によって取り込まれた後に加圧され、加圧空気は空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ３には、加湿装置（図示せず）が設けられており、燃料電池スタック１に供給される空気は、燃料電池スタック１の発電性能を低下させない程度に加湿される。一方、酸化剤極からの排出ガスは、空気排出流路Ｌ５を介して排出される。空気排出流路Ｌ５には、空気調圧弁２１が設けられている。コンプレッサ２０は、酸化剤極に供給する空気の流量を調整する供給流量調整手段としての機能を担っており、制御装置３０によってその回転数が制御される。空気調圧弁２１は、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力を調整する機能を担っており、制御装置３０によってその開度が制御される。

また、空気系には、空気供給流路Ｌ４のコンプレッサ２０下流側と、空気排出流路Ｌ５の空気調圧弁２１下流側との間をつなぐバイパス流路Ｌ６が設けられており、このバイパス流路Ｌ６により、コンプレッサ２０からの空気を燃料電池スタック１をバイパスさせて流すことができる。バイパス流路Ｌ６には、この流路を通る空気の流量を調整するバイパス弁２２が設けられており、制御装置３０によってその開度が制御される。

冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷媒が循環する閉ループ状の冷却流路Ｌ７を有している。なお、図１では、冷却系の一部が省略して描かれている。この冷却流路Ｌ７には、冷媒を循環させる冷媒ポンプ（図示せず）、および、冷媒を冷却するラジエータ（図示せず）が設けられている。この冷媒ポンプを動作させることにより、冷却流路Ｌ７内の冷媒が循環する。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷媒は、冷却流路Ｌ７を経由して、ラジエータへと流れ、ラジエータによって冷却される。冷却された冷媒は、燃料電池スタック１へと供給される。冷却流路Ｌ７は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１には、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電流取出手段）２が接続されている。このＤＣ／ＤＣコンバータ２は、制御装置３０によって制御され、燃料電池スタック1から電力を取り出すために燃料電池スタック1の電圧を調整する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、車両を駆動する電動モータ４といった負荷装置の電圧に変換し、燃料電池スタック1から取り出した電力を負荷装置に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２および電動モータ４には、二次電池（電力貯蔵手段）３が接続されている。二次電池３は、次に示すような機能を担っている。第１に、燃料電池スタック１で発電を行うために動作させる種々の補機（例えば、水素循環ポンプ１３やコンプレッサ２０）に対して、それを駆動するために必要な電力を供給する。第２に、システムに要求される電力（要求電力）に対し、燃料電池スタック１における発電電力が不足する場合、不足分の電力を電動モータ４に供給する。第３に、燃料電池スタック１の発電電力が要求電力に対して余剰となった場合、余剰分の電力を蓄電し、また、電動モータ４の回生電力を蓄電する。

図２は、本実施形態に係る制御装置３０を示すブロック図である。制御装置３０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従ってシステムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。本実施形態との関係では、この制御装置３０は、燃料電池スタック１を構成する電解質膜の抵抗を検出する機能を担っている。制御装置３０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御装置３０には、各種のセンサなどの信号が制御入力として入力されている。

電圧センサ（電圧検出手段）５は、燃料電池スタック１の電圧を検出するセンサであり、本実施形態では、個々の単位セル毎に、または、二つ以上の連続した単位セルで構成されるセル群毎に電圧（セル電圧）を検出する。電流センサ（電流検出手段）６は、燃料電池スタック１から取り出される電流を取出電流として検出する。貯蔵電力量センサ（貯蔵電力量検出手段）７は、二次電池３に貯蔵されている電力量を貯蔵電力量として検出し、充放電電力センサ（充放電電力検出手段）８は、二次電池３が充放電できる電力を充放電電力として検出する。水素圧力センサ１５は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力を検出する。空気流量センサ２３は、燃料電池スタック１へ供給される空気流量を検出し、空気圧力センサ２４は、燃料電池スタックへ供給される空気圧力を検出する。空気湿度センサ２５は、燃料電池スタック１から排出される空気の湿度（相対湿度）を排出空気湿度として検出する。また、この制御装置３０には、燃料電池スタック１における発電電力の要求値である要求電力が入力されている。

制御装置３０は、これを機能的に捉えた場合、各種の検出部３１〜３５，３７と、各種の算出部３６，３８〜４１と、各種の制御部４２〜４７を主体に構成されている。

電流検出部３１は、電流センサ６からの検出信号を読み込み、燃料電池スタック１からの取出電流を特定する。電圧検出部３２は、電圧センサ５からの検出信号を読み込み、単位セル毎のまたはセル群毎の電圧を特定する。燃料圧力検出部３３は、水素圧力センサ１５の検出信号を読み込み、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力を特定する。酸化剤圧力検出部３４は、空気圧力センサ２４からの検出信号を読み込み、燃料電池スタックへ供給される空気圧力を特定する。酸化剤流量検出部３５は、空気流量センサ２３からの検出信号を読み込み、燃料電池スタック１へ供給される空気流量を特定する。

膜抵抗検出部３７は、電解質膜の抵抗を検出する機能を担っており、膜抵抗算出部３７ａと、発電電力検出部３７ｂと、貯蔵電力量検出部３７ｃと、充放電電力検出部３７ｄと、乾燥状態推定部３７ｅとで構成されている。膜抵抗算出部（膜抵抗検出手段）３７ａは、電流検出部３１において特定された取出電流と、電圧検出部２１において特定されたセル電圧との時系列的な推移に基づいて、電解質膜の抵抗を算出（検出）する。この膜抵抗算出部３７ａは、個々のセル電圧を対象として処理を実行した場合には、個々の単位セル（またはセル群）を単位として電解質膜の抵抗を算出することができ、個々のセル電圧から特定される燃料電池スタック１の総体的な電圧を対象として処理を実行した場合には、燃料電池スタック１の全体を単位として電解質膜の抵抗を算出することができる。また、この膜抵抗算出部３７ａは、発電電力検出部３７ｂと、貯蔵電力量検出部３７ｃと、充放電電力検出部３７ｄと、乾燥状態推定部３７ｅといったシステムの運転状態を検出する運転状態検出手段の検出結果に基づいて、電解質膜の抵抗検出の開始を判定する判定手段としての機能も担っている。

発電電力検出部３７ｂは、電流検出部３１において特定された取出電流と、電圧検出部２１において特定された個々のセル電圧とに基づいて、燃料電池スタック１の発電電力を算出する。貯蔵電力量検出部３７ｃは、貯蔵電力量センサ７からの検出信号を読み込み、二次電池３の貯蔵電力量を特定する。充放電電力検出部３７ｄは、充放電電力センサ８からの検出信号を読み込み、二次電池３の充放電電力を特定する。乾燥状態推定部３７ｅは、燃料電池スタック１の乾燥状態を推定する乾燥状態推定部としての機能を担っており、本実施形態では、燃料電池スタック１の酸化剤極から排出される空気の湿度を検出する酸化剤湿度検出部を含んでいる。この酸化剤湿度検出部は、空気湿度センサ２５からの検出信号を読み込み、排出空気湿度を特定する。

発電電流算出部３６は、燃料電池スタック１への要求電力と、膜抵抗検出部３７における電解質膜の抵抗検出の開始タイミングとに基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流（取出電流）の目標値を算出する。燃料流量算出部３８は、発電電流算出部３６における取出電流の目標値と、膜抵抗検出部３７における電解質膜の抵抗検出の開始タイミングとに基づいて、燃料電池スタック１に供給する水素流量の目標値を算出する。酸化剤流量算出部３９は、発電電流算出部３６における取出電流の目標値と、膜抵抗検出部３７における電解質膜の抵抗検出の開始タイミングとに基づいて、燃料電池スタック１に供給する空気流量の目標値を算出する。燃料圧力算出部４０は、発電電流算出部３６における取出電流の目標値に基づいて、燃料電池スタック１に供給する水素圧力の目標値を算出する。酸化剤圧力算出部４１は、発電電流算出部３６における取出電流の目標値に基づいて、燃料電池スタック１に供給する空気圧力の目標値を算出する。

発電電流制御部４２は、発電電流算出部３６における取出電流の目標値に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を制御する。水素循環ポンプ回転数制御部４３は、燃料流量算出部３８における水素流量の目標値に基づいて、水素循環ポンプ１３の回転数を制御する。コンプレッサ回転数制御部４４は、酸化剤流量算出部３９における空気流量の目標値に基づいて、コンプレッサ２０の回転数を制御する。水素調圧弁開度制御部４５は、燃料圧力算出部４０における水素圧力の目標値と、燃料圧力検出部３３における水素圧力とに基づいて、水素調圧弁１１の開度をフィードバック制御する。空気調圧弁開度制御部４６は、酸化剤圧力算出部４１における空気圧力の目標値と、酸化剤圧力検出部３４における空気圧力とに基づいて、空気調圧弁２１の開度をフィードバック制御する。バイパス弁開度制御部４７は、膜抵抗検出部３７における電解質膜の抵抗の検出タイミングと、酸化剤流量検出部３５における空気流量とに基づいて、バイパス弁２２の開度を制御する。

図３は、本発明の実施形態にかかる電解質膜の抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定周期で呼び出され、制御装置３０によって実行される。

まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、各種の検出パラメータが読み込まれる。具体的には、電流検出部３１は、電流センサ６から燃料電池スタック１からの取出電流Ｉstkを読み込み、電圧検出部３２は、電圧センサ５から個々のセル電圧Ｖcellを読み込む。燃料圧力検出部３３は、水素圧力センサ１５から燃料電池スタック１に供給される水素圧力Ｐｈを読み込み、酸化剤圧力検出部３４は、空気圧力センサ２４から燃料電池スタック１に供給される空気圧力Ｐairを読み込む。酸化剤流量検出部３５は、空気流量センサ２３から燃料電池スタック１に供給される空気流量Ｑairを読み込む。貯蔵電力量検出部３７ｅは、貯蔵電力量センサ７から二次電池３の貯蔵電力量Ｑｃを読み込み、充放電電力検出部３７ｄは、充放電電力センサ８から二次電池３からの充放電電力Ｐcdを読み込む。乾燥状態推定部３７ｅは、空気湿度センサ２５から排出空気湿度Ｈairを読み込む。

ステップ１１（Ｓ１１）において、発電電力検出部３７ｂは、個々のセル電圧Ｖcellに基づいて、燃料電池スタック１における総体的な電圧をスタック電圧Ｖstkとして算出する。具体的には、スタック電圧Ｖstkは、個々のセル電圧Ｖcellの総和として算出される。

ステップ１２（Ｓ１２）において、発電電力検出部３７ｂは、取出電流Ｉstkと、スタック電圧Ｖstkとに基づいて、燃料電池スタック１の発電電力Ｐstkを検出する。具体的には、発電電力Ｐstkは、取出電流Ｉstkとスタック電圧Ｖstkとを積算することにより算出される。

ステップ１３（Ｓ１３）において、膜抵抗検出部３７は、排出空気湿度Ｈairに基づいて、電解質膜の抵抗を検出するための電流および電圧に関するサンプリングの時間間隔ΔＴを算出する。膜抵抗検出部３７は、排出空気湿度Ｈairと時間間隔ΔＴとの対応関係を保持したテーブルまたは計算式を有しており、排出空気湿度Ｈairから一義的に時間間隔ΔＴを算出する。図７は、排出空気湿度Ｈairと時間間隔ΔＴとの対応関係を示す説明図である。同図に示すように、時間間隔ΔＴは、相対湿度Ｈairが大きい程、その値が長くなるような傾向、すなわち、電解質膜の乾燥傾向が強い程、その値が短くなるような傾向を有している。このような対応関係は、実験やシミュレーションを通じて、最も過酷な乾燥状態での相対湿度を調べ、その相対湿度において可能な限り早い時間間隔ΔＴを設定する。また、燃料電池スタック１からの取出電流を周期的に変動させる実験を行い、その実験結果から通常運転条件では燃料電池スタック１の劣化が問題とならない程度の計測頻度となるように定める。

ステップ１４（Ｓ１４）において、各種の状態パラメータの目標値が算出される。このステップ１４において算出される状態パラメータとしては、燃料電池スタック１からの取出電流、燃料電池スタック１に対する水素流量、空気流量、水素圧力および空気圧力である。

発電電流算出部３６は、燃料電池スタック１への要求電力Ｐｒに基づいて、暫定的な取出電流の目標値（目標取出電流）Ｉzstkを算出する。発電電流算出部３６は、要求電力Ｐｒと目標取出電流Ｉzstkとの対応関係を保持したテーブルまたは計算式を有しており、要求電力Ｐｒから一義的に暫定的な目標取出電流Ｉzstkを算出する。図８は、要求電力Ｐｒと目標取出電流Ｉzstkとの対応関係を示す説明図である。両者の対応関係は、実験やシミュレーションを通じて、燃料電池スタック1における取出電流とスタック電圧の関係を検出することにより設定されている。

燃料流量算出部３８は、暫定的な目標取出電流Ｉzstkに基づいて、暫定的な水素流量の目標値（目標水素流量）Ｑzhを算出する。燃料流量算出部３８は、目標取出電流Ｉzstkと目標水素流量Ｑzhとの対応関係を保持したテーブルまたは計算式を有しており、暫定的な目標取出電流Ｉzstkから一義的に暫定的な目標水素流量Ｑzhを算出する。図９は、目標取出電流Ｉzstkと目標水素流量Ｑzhとの対応関係を示す説明図である。同図に示すように、目標水素流量Ｑzhは、目標取出電流Ｉzstkが大きい程、その値が大きくなるような傾向を有している。両者の対応関係は、実験やシミュレーションを通じて、電流で消費される水素量を見積もるとともに、各単位セルへの配流ばらつきを調査し、配流ばらつきが存在しても電流による消費で水素不足にならないような関係として設定されている。

酸化剤流量算出部３９は、暫定的な目標発電電流Ｉzstkに基づいて、暫定的な空気流量の目標値（目標空気流量）Ｑzairを算出する。酸化剤流量算出部３９は、目標取出電流Ｉzstkと目標空気流量Ｑzairとの対応関係を保持したテーブルまたは計算式を有しており、暫定的な目標取出電流Ｉzstkから一義的に暫定的な目標空気流量Ｑzairを算出する。図１０は、目標取出電流Ｉzstkと目標空気流量Ｑzairとの対応関係を示す説明図である。同図に示すように、目標空気流量Ｑzairは、目標取出電流Ｉzstkが大きい程、その値が大きくなるような傾向を有している。両者の対応関係は、実験やシミュレーションを通じて、電流で消費される酸素量と大気中の酸素成分比率から必要な空気流量とを見積もるとともに、各単位セルへの配流ばらつきを調査し、配流ばらつきが合っても電流による消費で酸素不足にならないような関係として設定されている。

燃料圧力算出部４０は、暫定的な目標発電電流Ｉzstkに基づいて、水素圧力の目標値（目標水素圧力）Ｐthを算出する。燃料圧力算出部４０は、目標取出電流Ｉzstkと目標水素圧力Ｐthとの対応関係を保持したテーブルまたは計算式を有しており、暫定的な目標取出電流Ｉzstkから一義的に目標水素圧力Ｐthを算出する。図１１は、目標取出電流Ｉzstkと目標水素圧力Ｐthとの対応関係を示す説明図である。同図に示すように、目標水素圧力Ｐthは、目標取出電流Ｉzstkが大きい程、その値が大きくなるような傾向を有している。両者の対応関係は、実験やシミュレーションを通じて、圧力上昇による燃料電池スタック１の発電効率向上による効果と、圧力を上昇させることで増えるコンプレッサ等の補機類の消費電力増加による損失とを考慮して、最も効率よく発電が行えるような関係に設定されている。

酸化剤圧力算出部４１は、暫定的な目標発電電流Ｉzstkに基づいて、空気圧力の目標値（目標空気圧力）Ｐtairを算出する。酸化剤圧力算出部４１は、目標取出電流Ｉzstkと目標空気圧力Ｐtairとの対応関係を保持したテーブルまたは計算式を有しており、暫定的な目標取出電流Ｉzstkから一義的に目標空気圧力Ｐtairを算出する。目標水素圧力Ｐthは、目標取出電流Ｉzstkに対して、目標水素圧力Ｐthと同じ値となるような関係となっている。

ステップ１５（Ｓ１５）において、膜抵抗検出部３７は、膜抵抗検出の実施判定処理を行う。この膜抵抗検出の実施判定処理は、電解質膜の抵抗検出を開始することができるのか、それともできないのかを判定する処理であり、その詳細については後述する。

ステップ１６（Ｓ１６）において、膜抵抗検出部３７は、発電量の増減判定処理を行う。この発電量の増減判定処理は、電解質膜の抵抗を検出する際に発電電力を増やすのか、それとも減らすのかを判定する処理であり、その詳細については後述する。

ステップ１７（Ｓ１７）において、膜抵抗検出部３７は、膜抵抗の検出処理を行う。この膜抵抗の検出処理は、電解質膜の抵抗を検出するために、電流、水素流量、空気流量、バイパス弁２２の開度を調整する処理であり、その詳細については後述する。

ステップ１８（Ｓ１８）において、膜抵抗検出部３７は、電解質膜の抵抗検出を行う期間中にセットされる検出中フラグＦmと、取出電流Ｉstkと、個々のセル電圧Ｖcellまたはスタック電圧Ｖstkとに基づいて、電解質膜の抵抗を検出する。膜抵抗検出部３７は、検出中フラグＦｍがセットされている期間における、取出電流Ｉstkと、セル電圧Ｖcellまたはスタック電圧Ｖstkとの時系列的な推移に基づいて、単位セルまたは燃料電池スタック１の電解質膜の抵抗を算出する。なお、抵抗算出の詳細な手法については、特開２００５−６３９４６号公報に開示されているので必要ならば参照されたい。

ステップ１９（Ｓ１９）において、各種の制御パラメータが算出される。このステップ１９において算出される制御パラメータとしては、コンプレッサ２０の目標回転数、水素循環ポンプ１３の目標回転数、空気調圧弁２１の目標開度、水素調圧弁１１の目標開度、バイパス弁２２の目標開度、DC／DCコンバータ２の動作量であり、燃料電池スタック１の発電に必要なパラメータが挙げられる。

コンプレッサ回転数制御部４４は、後述する最終的な目標空気流量Ｑtairに基づいて、コンプレッサ２０の目標回転数Ｒtcmpを算出する。コンプレッサ回転数制御部４４は、目標空気流量Ｑtairとコンプレッサ２０の目標回転数Ｒtcmpとの対応関係を保持したテーブルまたは計算式を有しており、目標空気流量Ｑtairから一義的にコンプレッサ２０の目標回転数Ｒtcmpを算出する。図１２は、目標空気流量Ｑtairとコンプレッサ２０の目標回転数Ｒtcmpとの対応関係を示す説明図である。同図に示すように、コンプレッサ２０の目標回転数Ｒtcmpは、目標空気流量Ｑtairが大きい程、その値が大きくなるような傾向に設定されている。両者の対応関係は、実験やシミュレーションを通じて、空気流量と、コンプレッサ２０の回転数との関係を取得することにより設定されている。

水素循環ポンプ回転数制御部４３は、後述する最終的な目標水素流量Ｑthに基づいて、水素循環ポンプ１３の目標回転数Ｒthrpを算出する。水素循環ポンプ回転数制御部４３は、目標水素流量Ｑthと水素循環ポンプ１３の目標回転数Ｒthrpとの対応関係を保持したテーブルまたは計算式を有しており、目標水素流量Ｑthから一義的に水素循環ポンプ１３の目標回転数Ｒthrpを算出する。図１３は、目標水素流量Ｑthと水素循環ポンプ１３の目標回転数Ｒthrpとの対応関係を示す説明図である。同図に示すように、水素循環ポンプ１３の目標回転数Ｒthrpは、目標水素流量Ｑthが大きい程、その値が大きくなるような傾向に設定されている。両者の対応関係は、実験やシミュレーションを通じて、水素流量と、水素循環ポンプ１３の回転数との関係を取得することにより設定されている。

水素調圧弁開度制御部４５は、目標水素圧力Ｐthと、検出値である水素圧力Ｐｈとに基づいて、この水素圧力Ｐｈが目標水素圧力Ｐthとなるように、水素調圧弁１１の目標開度Ｄtacvを算出する。

空気調圧弁開度制御部４６は、目標空気圧力Ｐtairと、検出値である空気圧力Ｐairとに基づいて、この空気圧力Ｐairが目標空気圧力Ｐtairとなるように、空気調圧弁２１の目標開度Ｄthcvを算出する。

バイパス弁開度制御部４７は、目標空気流量Ｑtairと、検出値である空気流量Ｑairと、後述する使用許可フラグＦbpsとに基づいて、バイパス弁２２の目標開度Ｄtbpsを算出する。具体的には、使用許可フラグＦbpsがセットされている場合には、空気流量Ｑairが、後述する仮想目標空気流量Ｑvtairとなるように、バイパス弁２２の目標開度Ｄtbps[deg]が算出される。一方、使用許可フラグＦbpsがクリアされている場合には、バイパス弁２２の目標開度Ｄtbpsは、全閉状態として算出される。

発電電流制御部４２は、目標取出電流Ｉzstkに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の動作量を算出する。

ステップＳ２０（Ｓ２０）において、算出された制御パラメータに対応した駆動信号が各種のアクチュエータに対して出力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２、水素循環ポンプ１３、コンプレッサ２０、水素調圧弁１１、空気調圧弁２１、バイパス弁２２が制御される。

図４は、ステップ１５における膜抵抗検出の実施判定処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ３０（Ｓ３０）において、電解質膜の抵抗検出を開始してからの経過時間Ｔｍが、ステップ１３において算出された時間間隔ΔＴ以上経過しているか否かが判定される。この判定を行う前提として、検出中フラグＦmがクリア状態からセット状態に切り替わってからの時間がカウントされており、検出を開始してからの経過時間Ｔmが算出されている。ステップ３０において否定判定された場合には、ステップ３１（Ｓ３１）に進み、電解質膜の抵抗検出を開始しないことを示す検出非実施フラグＦnmがセットされる。一方、ステップ３０において肯定判定された場合には、ステップ３２（Ｓ３２）に進む。

ステップ３２において、電力ばらつきΔＰｉが算出される。この電力ばらつきΔＰｉは、現在から所定時間だけ前に遡った期間における発電電力Ｐstkのばらつきを示すものであり、該当期間における発電電力Ｐstkの推移のうち、最大値から最小値を減算することにより算出される。ここで、所定時間は、実験やシミュレーションを通じて、電解質膜の抵抗を検出する場合に最も精度よくその値が検出できる時間を調査することにより設定されている。

ステップ３３（Ｓ３３）において、電力ばらつきΔＰｉが安定判定値ΔPithよりも小さいか否かが判定される。この安定判定値ΔPithは、実験やシミュレーションを通じて電解質膜の抵抗の検出を行い、最も精度よく検出できるシーンでの電力ばらつきΔＰｉの上限値を調査して設定されている。このステップ３３において否定判定された場合には、ステップ３４（Ｓ３４）に進み、検出非実施フラグＦnmがセットされる。一方、ステップ３３において肯定判定された場合には、ステップ３５（Ｓ３５）に進む。

ステップ３５において、二次電池３の充放電電力Ｐcdが補助電力判定値ΔＰsthよりも小さいか否かが判定される。この補助電力判定値ΔＰsthは、実験やシミュレーションを通じて電解質膜の抵抗検出で使用する電力を調査しておき、二次電池３が充放電できる最大の電力から電解質膜の抵抗の検出で使用する電力を減算することにより設定されている。このステップ３５において否定判定された場合には、ステップ３６（Ｓ３６）に進み、検出非実施フラグＦnmがセットされる。一方、ステップ３５において肯定判定された場合には、ステップ３７（Ｓ３７）に進む。

ステップ３７において、二次電池３の貯蔵電力量Ｑｃが、検出上限電力量Ｑmax以下であるか否かが判定される。この検出上限電力量Ｑmaxは、実験やシミュレーションを通じて電解質膜の抵抗の検出で充電する電力量を調査しておき、二次電池３が充電できる最大の電力量から電解質膜の抵抗検出で充電される電力量を減算することにより設定されている。このステップ３７において否定判定された場合には、ステップ３８（Ｓ３８）に進む。一方、ステップ３７において肯定判定された場合には、ステップ４０（Ｓ４０）に進む。

ステップ３８において、燃料電池スタック1の発電電力Ｐstkが検出下限電力Ｐmin以上であるか否かが判定される。この検出下限電力Ｐminは、実験やシミュレーションを通じて、発電電力を減らして電解質膜の抵抗検出を行う場合に必要な電力の減少幅を調査することにより設定されている。ステップ３８において否定判定された場合には、ステップ３９（Ｓ３９）に進み、検出非実施フラグＦnmがセットされる。一方、ステップ３８において肯定判定された場合には、ステップ４０に進む。

ステップ４０において、二次電池３の貯蔵電力量Ｑｃが、検出下限電力量Ｑmin以上であるか否かが判定される。この検出下限電力量Ｑminは、実験やシミュレーションを通じて電解質膜の抵抗検出で放電する電力量を調査することにより設定されている。このステップ４０において否定判定された場合には、ステップ４１（Ｓ４１）に進む。一方、ステップ４０において肯定判定された場合には、ステップ４３（Ｓ４３）に進む。

ステップ４１において、燃料電池スタック1の発電電力Ｐstkが検出上限電力Ｐmax以下であるか否かが判定される。この検出上限電力Ｐmaxは、実験やシミュレーションを通じて、発電電力を増やして電解質膜の抵抗検出を行う場合に必要な電力の増加幅を調査し、燃料電池スタック1の最大発電電力から電力増加幅を減算することにより設定される。ステップ４１において否定判定された場合には、ステップ４２（Ｓ４２）に進み、検出非実施フラグＦnmをセットする。一方、ステップ４１において肯定判定された場合には、ステップ４３に進む。

ステップ４３において、排出空気湿度Ｈairが、乾燥判定湿度Ｈathよりも大きいか否かが判定される。この乾燥判定湿度Ｈathは、燃料電池スタック１が乾燥しているか否かを判定するための湿度の基準値であり、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。このステップ４３において否定判定された場合、すなわち、燃料電池スタック１が乾燥していると推定される場合には、ステップ４４（Ｓ４４）に進み、検出非実施フラグＦnmをセットする。一方、ステップ４３において肯定判定された場合には、本ルーチンを抜ける。

図５は、ステップ１６における発電量の増減判定処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ５０（Ｓ５０）において、検出中フラグＦｍがセットされているか否かが判定される。このステップ５０において肯定判定された場合には、後述するステップ５１〜５６の処理をスキップして、本ルーチンを抜ける。一方、ステップ５０で否定判定された場合には、ステップ５１（Ｓ５１）に進む。

ステップ５１において、燃料電池スタック1の発電電力Ｐstkが検出下限電力Ｐmin以上であるか否かが判定される。このステップ５１において肯定判定された場合には、ステップ５２（Ｓ５２）に進む。一方、ステップ５１において否定判定された場合には、後述するステップ５６（Ｓ５６）に進む。

ステップ５２において、燃料電池スタック1の発電電力Ｐstkが検出上限電力Ｐmax以下であるか否かが判定される。このステップ５２において肯定判定された場合には、ステップ５３（Ｓ５３）に進む。一方、ステップ５２において否定判定された場合には、後述するステップ５５（Ｓ５５）に進む。

ステップ５３において、二次電池３の貯蔵電力量Ｑｃが理想貯蔵電力量Ｑciよりも大きいか否かが判定される。この理想貯蔵電力量Ｑciは、実験やシミュレーションを通じて、燃料電池スタック１の発電で不足する電力を補助でき、かつ、回生電力を充電できるような、充電にも放電にも適切な貯蔵電力量を調査することにより設定されている。ステップ５３において肯定判定された場合には、ステップ５４（Ｓ５４）に進む。一方、ステップ５３において否定判定された場合には、ステップ５５に進む。

ステップ５４において、電解質膜の抵抗検出を行う場合に燃料電池スタック１の発電電力を増やすことを示す発電電力増加フラグＦidをセットし、これにより、電解質膜の抵抗検出において発電電力を増やすことを選択した上で本ルーチンを抜ける。

ステップ５５において、発電電力増加フラグＦidをクリアし、これにより、電解質膜の抵抗検出において発電電力を減らすことを選択した上で本ルーチンを抜ける。

ステップ５６において、発電電力増加フラグＦidをセットし、これにより、電解質膜の抵抗検出において発電電力を増やすことを選択した上で本ルーチンを抜ける。

図６は、ステップ１７における電解質膜の抵抗検出処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ６０（Ｓ６０）において、検出中フラグＦｍがセットされているか否かが判定される。このステップ６０において否定判定された場合には、ステップ６１（Ｓ６１）に進む。一方、ステップ６０において肯定判定された場合には、ステップ６５（Ｓ６５）に進む。

ステップ６１において、最終的な目標取出電流Ｉtstkとして、ステップ１４において算出された暫定的な目標発電電流Ｉzstkが確定される。また、最終的な目標水素流量Ｑthとして、ステップ１４において算出された暫定的な目標水素流量Ｑzhが確定され、最終的な目標空気流量Ｑtairとして、ステップ１４において算出された暫定的な目標空気流量Ｑzairが確定される。そして、ステップ１４において算出された暫定的な目標取出電流Ｉzstkが検出時ベース電流Ｉｂとして記憶され、要求電力Ｐｒがベース要求電力Ｐbdとして記憶される。

ステップ６２（Ｓ６２）において、検出非実施フラグＦnmがセットされているか否かが判定される。このステップ６２において否定判定された場合には、ステップ６３（Ｓ６３）に進み、検出中フラグＦｍをセットした上で本ルーチンを抜ける。一方、ステップ６２において肯定判定された場合には、ステップ６４（Ｓ６４）に進み、検出非実施フラグＦnmをクリアした上で本ルーチンを抜ける。

ステップ６５において、電解質膜の抵抗検出を行う場合に、燃料電池スタック１の発電電力を減少させるのか否か、すなわち、発電電力増加フラグＦidがクリアされているか否かが判定される。このステップ６５において肯定判定された場合には、ステップ６６（Ｓ６６）に進む。一方、ステップ６５において否定判定された場合には、ステップ６８（Ｓ６８）に進む。

ステップ６６において、バイパス弁２２を開くことにより、燃料電池スタック1に供給される空気流量を減少させることを許可する使用許可フラグＦbpsがセットされる。また、最終的な目標水素流量Ｑthとして、ステップ１４において算出された暫定的な目標水素流量Ｑzhが確定され、最終的な目標空気流量Ｑtairとして、ステップ１４において算出された暫定的な目標空気流量Ｑzairが確定される。さらに、電解質膜の抵抗検出に必要な取出電流に対応した空気流量が、仮想目標空気流量Ｑvtairとして記憶される。

ステップ６７（Ｓ６７）において、検出時ベース電流Ｉｂから、電解質膜の抵抗検出を行うために必要な取出電流の変化幅ΔＩｍを減算するこより、最終的な目標取出電流Ｉtstkが確定される。

ステップ６８において、電解質膜の抵抗検出を行うために必要な取出電流の変化幅ΔＩｍに、ステップ１４において算出された暫定的な目標取出電流Ｉzstkを加算することにより、仮想取出電流Ｉvstkが算出される。そして、暫定的な目標水素流量Ｑzhの算出手法と同様のテーブルなどを用いて、仮想取出電流Ｉvstkから、これに対応する水素流量Ｑzhを求め、これを最終的な目標水素流量Ｑthとして決定する。また、暫定的な目標空気流量Ｑzairの算出手法と同様のテーブルなどを用いて、仮想取出電流Ｉvstkから、これに対応する空気流量Ｑzairを求め、これを最終的な目標空気流量Ｑtairとして決定する。さらに、最終的な目標取出電流Ｉtstkとして、暫定的な目標取出電流Ｉzstkが確定される。

ステップ６９（Ｓ６９）において、検出中フラグＦmがクリア状態からセット状態に切り替わってから経過した時間である経過時間Ｔmが、所定時間Ｔ２以上であるか否かが判定される。このステップ６９において肯定判定された場合には、ステップ７０（Ｓ７０）に進む。一方、ステップ６９において否定判定された場合には、ステップ７１（Ｓ７１）に進む。

ステップ７０において、検出時ベース電流Ｉｂに、電解質膜の抵抗検出を行うために必要な取出電流の変化幅ΔＩｍを加算することにより、最終的な目標取出電流Ｉtstkが確定される。

ステップ７１（Ｓ７１）において、検出中フラグＦｍがクリア状態からセット状態に切り替わってから経過した時間である経過時間Ｔｍが、電解質膜の抵抗を検出するために必要な検出時間Ｔend（すなわち、検出中フラグＦｍがクリア状態からセット状態に切り替わったタイミングから時間間隔ΔＴを経過した時間）を経過したか否かが判定される。このステップ７１において否定判定された場合には、ステップ７２（Ｓ７２）に進む。一方、ステップ７１において肯定判定された場合には、ステップ７３（Ｓ７３）に進む。

ステップ７２において、ベース要求電力Ｐbdと現在の要求電力Ｐｒとの差の絶対値が、検出中止閾値ΔＰstp以下であるか否かが判定される。この検出中止閾値ΔＰstpは、二次電池３で充放電できる電力の最大値が設定されている。このステップ７２において肯定判定された場合には、本ルーチンを抜ける。ステップ７２において否定判定された場合には、ステップ７３に進む。

ステップ７３において、使用許可フラグＦbpsがクリアされる。また、最終的な目標取出電流Ｉtstkがリセットされ、ステップ１４において算出された暫定的な目標取出電流Ｉzstkがその値に確定される。さらに、最終的な目標水素流量Ｑthがリセットされ、ステップ１４において算出された暫定的な目標水素流量Ｑzhがその値に確定される。目標空気流量Ｑtairがリセットされ、ステップ１４において算出された暫定的な目標空気流量Ｑzairがその値に確定される。

ステップ７４（Ｓ７４）において、検出中フラグＦmがクリアされ、その後、本ルーチンを抜ける。

このように本実施形態によれば、燃料電池スタックから取り出される電流と、燃料電池スタックにおける電圧との時系列的な推移に基づいて、電解質膜の抵抗検出を行っており、システムの運転状態に基づいて、電解質膜の抵抗検出の開始が判定される。これにより、運転状態に合わせて検出を行うことができるため、検出にともなう燃料電池スタック１の劣化を抑制しつつ、電解質膜の抵抗を検出することができる。

また、本実施形態によれば、電解質膜が乾燥していると推定された場合に、電解質膜の抵抗検出の開始が判定される。そのため、電解質膜の抵抗を検出する必要がないような、良好な湿潤状態の場合には電解質膜の抵抗検出が行われない。電解質膜の抵抗検出では、電流あるいは電圧を変動させる必要があるが、かかる構成によれば、電圧変動または電流変動の頻度を低下させることができ、燃料電池スタックの劣化を抑えることができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池スタック１の酸化剤極から排出される酸化剤ガスの湿度が低い程、電解質膜が乾燥傾向にあると推定される。これにより、精度よく乾燥状態を推定することができる。

また、本実施形態によれば、電解質膜の乾燥傾向が強い程、抵抗検出における電流および電圧に関するサンプリングの時間間隔ΔＴが短く設定される。これにより、電解質膜の乾燥が進行していて、短い時間で電解質膜の抵抗が大きく変わるような場合であっても、電解質膜の抵抗を精度よく検出することができる。

また、本実施形態によれば、電力ばらつきΔＰｉから、すなわち、発電電力の時系列的な推移に基づいて発電電力が安定していることを判定した場合に、電解質膜の抵抗検出の開始が判定される。電解質膜の抵抗検出を行う直前に発電電力が大きく変わるようなケースでは、発電電力変化の影響を受けて、電解質膜の抵抗を誤検出する可能性があるが、かかる構成によれば、そのような不都合を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、二次電池３における充放電電力Ｐcdの絶対値が小さいことを判定した場合に、電解質膜の抵抗検出の開始が判定される。かかる構成によれば、二次電池３で充放電を行っており、電解質膜の抵抗検出で使用する電力を二次電池３で補えないといったシーンにおいて、電解質膜の抵抗検出を実行して事態を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、二次電池３の貯蔵電力量Ｑｃが理想貯蔵電力量Ｑciよりも多い場合は、発電電力が減少するように燃料電池スタック１の発電状態を制御した上で、または、二次電池３の貯蔵電力量Ｑｃが理想貯蔵電力量Ｑciよりも少ない場合は、発電電力が増加するように燃料電池スタック１の発電状態を制御した上で、電解質膜の抵抗が検出される。かかる構成によれば、二次電池３の貯蔵電力量Ｑｃを充電にも放電にも使えるような、理想的な電力量に近づけることができる。

また、本実施形態によれば、電解質膜の抵抗を検出するために必要な発電電力の変化幅に応じて、発電電力が増減するように燃料電池スタック１の発電状態を制御した上で、電解質膜の抵抗が検出される。かかる構成によれば、電解質膜の抵抗を検出するために必要な発電電力の変化幅を、燃料電池スタック１からの発電電力に左右されずに確保することができる。そのため、燃料電池スタック１の発電電力の状態に拘わらず、電解質膜の抵抗を検出することができる。

また、本実施形態によれば、発電電力が増加するように燃料電池スタック１の発電状態を制御した上で、電解質膜の抵抗を検出する場合には、ステップ６９の処理に示すように、所定時間だけ待機することにより、発電電力を実質的に増加させる以前に、反応ガスが不足しないよう供給量が増加させられる。かかる構成によれば、電解質膜の抵抗検出にともない、燃料ガスあるいは酸化剤ガスといった反応ガスが不足し、燃料電池スタック１が劣化することといった事態を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、発電電力が減少するように燃料電池スタック１の発電状態を制御した上で、電解質膜の抵抗を検出する場合には、反応ガスの供給量を変えない構成としている。かかる構成によれば、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの供給量が変化することで、音などが変化するといった違和感を低減することができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池スタックに供給される反応ガスの少なくとも一部をバイパスさせる構成となっている。これにより、燃料電池スタック１に過剰な燃料ガスあるいは酸化剤ガスが供給されることで、燃料電池スタック１が乾燥するといった事態を抑制することができる。

なお、本実施形態では、電解質膜の抵抗を検出するために必要な発電電力の変化幅に応じて、二次電池３の充放電電力を制御した上で、電解質膜の抵抗を検出してもよい。かかる構成によれば、電解質膜の抵抗が測定できるように二次電池３の貯蔵電力量を変化させることができるので、二次電池３が貯蔵できる最大あるいは最小の電力量の制約で、電解質膜の抵抗検出を実行できないといった状態が継続されることを抑制することができる。

さらに、上述した実施形態では、電解質膜の乾燥状態を推定する手法として、酸化剤極から排出される酸化剤ガスの湿度を用いている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、以下に示すような、種々な方法を用いて電解質膜の乾燥状態を推定してもよい。

第１の手法としては、乾燥状態推定部３７ｅは、酸化剤湿度検出部に変えて、水収支算出部（水収支算出手段）で構成してもよい。この水収支算出部は、次に示すような処理を行う。まず、燃料電池スタック１に流入する冷却水温度から飽和水蒸気圧を算出する。この際、水素は飽和水蒸気圧分の水を含んでいると仮定して、目標水素流量Ｑthと、水素圧力センサ１５で検出した水素圧力Ｐｈとから、理想気体の状態方程式に基づいて、燃料電池スタック１に水素と共に供給される水の量を推定する。また、燃料電池スタック１から排出される冷却水温度から同様の計算を行い、燃料電池スタック１から余剰水素と共に排出される水の量を算出する。さらに、目標水素流量Ｑthにかえて空気流量センサ２３の空気流量Ｑairを用い、また、水素圧力センサ１５の水素圧力Ｐｈにかえて空気圧力センサ２４の空気圧力Ｐairを用いることで、燃料電池スタック１に空気とともに流入する水の量と、燃料電池スタック１から空気とともに排出される水の量を算出する。また、燃料電池スタック１内において反応によって生成される水の量を計算する。以上の演算結果を用いて、燃料電池スタック１に供給される水の量と、燃料電池スタック１で生成される水の量とを加算した値から、燃料電池スタック１から排出される水の量を減算した水収支が算出される。この水収支は、その値が負で、水収支の値の絶対値が大きい程、電解質膜が乾燥傾向にあると推定することができる。このケースでは、図１４に示すように、水収支に基づいて、上述した時間間隔ΔＴを算出してもよい。なお、水収支を時間積分した値を用いて、水収支が負である時間が長い程、電解質膜が乾燥傾向にあると推定してもよい。かかる構成によれば、乾燥状態を精度よく推定することができる。

また、これ以外にも、乾燥状態推定部３７ｅは、スタック電圧Ｖstkを燃料電池スタック1に含まれる単位セルの数で除算して、単位セル当たりの平均電圧を算出する。なお、単位セルではなくセル群を対象としてセル電圧を検出している場合には、個々のセル電圧を対象として、それをセル群に含まれる単位セルの数で除算し、単位セル当たりの電圧を算出する。そして、単位セル当たりの平均電圧と、各単位セルにおけるセル電圧との差、すなわち、電圧のばらつきの絶対値が大きい程、電解質膜が乾燥傾向にあると推定することができる。このケースでは、図１５に示すように、電圧のばらつきに応じて、上述した時間間隔ΔＴを算出してもよい。かかる構成によれば、燃料電池スタック１の一部において乾燥が生じているようなケースでも、その乾燥状態を精度よく推定することができる。

また、乾燥状態推定部３７ｅは、図１６に示すように、電解質膜の理想的な湿潤状態時における燃料電池スタック１からの取出電流Ｉstkに対するスタック電圧Ｖstkの特性を基準特性として備えておくことで、この基準特性に対するスタック電圧Ｖstkの低下幅が大きい程、電解質膜が乾燥傾向にあると推定してもよい。このケースでは、図１７に示すように、スタック電圧Ｖstkの低下幅に応じて、上述した時間間隔ΔＴを算出してもよい。かかる構成によれば、燃料電池スタック１全体の乾燥状態を精度よく推定することができる。

また、乾燥状態推定部３７ｅは、燃料電池スタック１の停止状態の時間（停止から起動までの放置時間）が長い程、電解質膜が乾燥傾向にあると推定してもよい。このケースでは、図１８に示すように、放置時間に応じて、上述した時間間隔ΔＴを算出してもよい。

また、本発明は、燃料電池スタック１内の単位セル（またはセル群）の電圧を全て検出するのではなく、燃料電池スタック１に供給される冷却水に配流ばらつきがある場合は、冷却水が流れにくい単位セル（またはセル群）の電圧だけを検出してもよい。または、燃料電池スタックに供給される空気の配流ばらつきがある場合は、空気が流れにくい単位セル（またはセル群）の電圧だけを検出するという方法をとってもよい。

さらに、上述した実施形態では、フーリエ変換を用いた電解質膜の抵抗の検出法について記載したが、例えば、交流インピーダンス法や電流遮断法等の電流あるいは電圧を操作してその時間変化に基づいて、電解質膜の抵抗を検出する他の検出方法を適用してもよい。

また、このような燃料電池システムは、図１９に示すように、燃料電池システムから供給される電力によって駆動する燃料電池自動車１００に適用することができる。このケースでは、電解質膜の抵抗をモニタリングすることができるので、燃料電池スタックの不具合などの原因を未然に特定することができ、自動車としての信頼性の向上を図ることができる。なお、図１９に示す燃料電池自動車では、燃料電池システムを構成する要素のうち、燃料電池スタック１以外の要素については便宜上省略されている。

燃料電池システムを示す構成図 制御装置３０を示すブロック図 電解質膜の抵抗検出の処理手順を示すフローチャート ステップ１５における膜抵抗検出の実施判定処理の手順を示すフローチャート ステップ１６における発電量の増減判定処理の手順を示すフローチャート ステップ１７における電解質膜の抵抗検出処理の手順を示すフローチャート 排出空気湿度Ｈairと時間間隔ΔＴとの対応関係を示す説明図 要求電力Ｐｒと目標取出電流Ｉzstkとの対応関係を示す説明図 目標取出電流Ｉzstkと目標水素流量Ｑzhとの対応関係を示す説明図 目標取出電流Ｉzstkと目標空気流量Ｑzairとの対応関係を示す説明図 目標取出電流Ｉzstkと目標水素圧力Ｐthとの対応関係を示す説明図 目標空気流量Ｑtairとコンプレッサ２０の目標回転数Ｒtcmpとの対応関係を示す説明図 目標水素流量Ｑthと水素循環ポンプ１３の目標回転数Ｒthrpとの対応関係を示す説明図 水収支と時間間隔ΔＴとの対応関係を示す説明図 電圧のばらつき時間間隔ΔＴとの対応関係を示す説明図 燃料電池スタック１からの取出電流Ｉstkに対するスタック電圧Ｖstkの特性を示す説明図 スタック電圧Ｖstkの低下幅と時間間隔ΔＴとの対応関係を示す説明図 放置時間と時間間隔ΔＴとの対応関係を示す説明図 燃料電池自動車１００の説明図

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ コンバータ
３ 二次電池
４ 電動モータ
５ 電圧センサ
６ 電流センサ
７ 貯蔵電力量センサ
８ 充放電電力センサ
１０ 燃料タンク
１１ 水素調圧弁
１２ エゼクタ
１２ 水素循環ポンプ
１３ パージ弁
１３ 水素循環ポンプ
１４ パージ弁
１５ 水素圧力センサ
２０ コンプレッサ
２１ 空気調圧弁
２１ 電圧検出部
２２ バイパス弁
２３ 空気流量センサ
２４ 空気圧力センサ
２５ 空気湿度センサ
３０ 制御装置
３１ 電流検出部
３２ 電圧検出部
３３ 燃料圧力検出部
３４ 酸化剤圧力検出部
３５ 酸化剤流量検出部
３６ 発電電流算出部
３７ 膜抵抗検出部
３７ａ 膜抵抗算出部
３７ｂ 発電電力検出部
３７ｃ 貯蔵電力量検出部
３７ｄ 充放電電力検出部
３７ｅ 乾燥状態推定部
３８ 料流量算出部
３９ 酸化剤流量算出部
４０ 燃料圧力算出部
４１ 酸化剤圧力算出部
４２ 発電電流制御部
４３ 水素循環ポンプ回転数制御部
４４ コンプレッサ回転数制御部
４５ 水素調圧弁開度制御部
４６ 空気調圧弁開度制御部
４７ バイパス弁開度制御部
１００ 燃料電池自動車

Claims (18)

1. 燃料電池システムにおいて、
   電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した構造体で構成される単位セルを複数積層して構成される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから電流を取り出す電流取出手段と、
   前記電流取出手段によって取り出される電流を検出する電流検出手段と、
   前記燃料電池スタックにおける電圧を検出する電圧検出手段と、
   システムの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態検出手段の検出結果に基づいて、前記電解質膜の抵抗検出の開始を判定する判定手段と、
   前記判定手段によって判定された前記電解質膜の抵抗検出の開始に応じて、前記電流検出手段によって検出される電流と、前記電圧検出手段によって検出される電圧との時系列的な推移に基づいて、前記電解質膜の抵抗を検出する抵抗検出手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記運転状態検出手段は、前記電解質膜の乾燥状態を推定する乾燥状態推定手段を含み、
   前記判定手段は、前記乾燥状態推定手段によって前記電解質膜が乾燥していると推定された場合に、前記電解質膜の抵抗検出の開始を判定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
3. 前記乾燥状態推定手段は、前記燃料電池スタックの酸化剤極から排出される酸化剤ガスの湿度を検出する湿度検出手段を含み、当該湿度検出手段で検出される湿度が低い程、前記電解質膜が乾燥傾向にあると推定することを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
4. 前記乾燥状態推定手段は、前記燃料電池スタックに供給される水の量と前記燃料電池スタックで生成される水の量とを加算した値から、前記燃料電池スタックから排出される水の量を減算した水収支を算出する水収支算出手段を有し、当該水収支算出手段において算出される水収支が負の値の場合で、当該水収支の絶対値が大きく、または、当該水収支が負の値になっている時間が長い程、前記電解質膜が乾燥傾向にあると推定することを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
5. 前記電圧検出手段は、少なくとも一つ以上の連続した前記単位セルで構成されるセル群毎に電圧を検出しており、
   前記乾燥状態推定手段は、前記電圧検出手段によって検出される前記セル群の電圧と、その他の前記セル群の電圧との差の絶対値が大きい程、前記電解質膜が乾燥傾向にあると推定することを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
6. 前記乾燥状態推定手段は、前記電解質膜の理想的な湿潤状態時における前記燃料電池スタックから取り出した電流に対する電圧の特性を基準特性とし、当該基準特性からの電圧の低下幅が大きい程、前記電解質膜が乾燥傾向にあると推定することを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
7. 前記乾燥状態推定手段は、前記燃料電池スタックの停止状態の時間が長い程、前記電解質膜が乾燥傾向にあると推定することを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
8. 前記抵抗検出手段は、前記乾燥状態推定手段による推定結果に基づいて、前記電解質膜の乾燥傾向が強い程、前記電流および前記電圧に関するサンプリングの時間間隔を短く設定することを特徴とする請求項２から７のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
9. 前記運転状態検出手段は、前記燃料電池スタックにおける発電電力を検出する発電電力検出手段を含み、
   前記判定手段は、前記発電電力検出手段によって検出される発電電力の時系列的な推移に基づいて、前記発電電力が安定していることを判定した場合に、前記電解質膜の抵抗検出の開始を判定することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
10. 前記燃料電池スタックの発電電力が要求電力に対して不足する場合に当該不足分の電力を供給するとともに、前記燃料電池スタックの発電電力が要求電力に対して余剰となった場合に当該余剰分の電力を貯蔵する電力貯蔵手段をさらに有し、
    前記運転状態検出手段は、前記電力貯蔵手段が充放電できる電力を充放電電力として検出する充放電電力検出手段を含み、
    前記判定手段は、前記充放電電力検出手段の検出結果に基づいて、前記電力貯蔵手段における充放電電力の絶対値が小さいことを判定した場合に、前記電解質膜の抵抗検出の開始を判定することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
11. 前記運転状態検出手段は、前記電力貯蔵手段に貯蔵される電力量を貯蔵電力量として検出する貯蔵電力量検出手段を含み、
    前記抵抗検出手段は、前記貯蔵電力量検出手段による検出結果に基づいて、当該検出された貯蔵電力量が理想貯蔵電力量よりも多い場合は、発電電力が減少するように前記燃料電池スタックの発電状態を制御した上で、または、前記検出された貯蔵電力量が理想貯蔵電力量よりも少ない場合は、発電電力が増加するように前記燃料電池スタックの発電状態を制御した上で、前記電解質膜の抵抗を検出することを特徴とする請求項１０に記載された燃料電池システム。
12. 前記抵抗検出手段は、電解質膜の抵抗を検出するために必要な発電電力の変化幅に応じて、発電電力が増減するように前記燃料電池スタックの発電状態を制御した上で、前記電解質膜の抵抗を検出することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
13. 前記燃料電池スタックの発電電力が要求電力に対して不足する場合に当該不足分の電力を供給するとともに、前記燃料電池スタックの発電電力が要求電力に対して余剰となった場合に当該余剰分の電力を貯蔵する電力貯蔵手段をさらに有し、
    前記抵抗検出手段は、電解質膜の抵抗を検出するために必要な発電電力の変化幅に応じて、前記電力貯蔵手段の充放電電力を制御した上で、前記電解質膜の抵抗を検出することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
14. 前記燃料電池スタックへ反応ガスを供給する反応ガス供給手段をさらに有し、
    前記反応ガス供給手段は、発電電力が増加するように前記燃料電池スタックの発電状態を制御した上で、前記電解質膜の抵抗を検出する場合には、当該発電電力を増加させる以前に、前記反応ガスが不足しないよう供給量を増加させることを特徴とする請求項１１または１２に記載された燃料電池システム。
15. 前記燃料電池スタックへ反応ガスを供給する反応ガス供給手段をさらに有し、
    前記反応ガス供給手段は、発電電力が減少するように前記燃料電池スタックの発電状態を制御した上で、前記電解質膜の抵抗を検出する場合には、前記反応ガスの供給量を通常時と同じに制御することを特徴とする請求項１１または１２に記載された燃料電池システム。
16. 前記反応ガス供給手段は、発電電力が減少するように前記燃料電池スタックの発電状態を制御した上で、前記電解質膜の抵抗を検出する場合には、前記燃料電池スタックに供給される反応ガスの少なくとも一部をバイパスさせることを特徴とする請求項１５に記載された燃料電池システム。
17. 請求項１から１６のいずれか一項に記載された燃料電池システムから供給される電力によって駆動する燃料電池自動車。
18. 電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した構造体で構成される単位セルを複数積層して構成される燃料電池スタックにおける電解質膜の抵抗検出方法において、
    前記燃料電池スタックから取り出される電流を検出し、
    前記燃料電池スタックにおける電圧を検出し、
    システムの運転状態を検出し、
    前記運転状態検出手段の検出結果に基づいて、前記電解質膜の抵抗検出の開始を判定し、
    前記判定手段によって判定された前記電解質膜の抵抗検出の開始に応じて、前記電流検出手段によって検出される電流と、前記電圧検出手段によって検出される電圧との時系列的な推移に基づいて、前記電解質膜の抵抗を検出する
    ことを特徴とする電解質膜の抵抗検出方法。

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