JP2016095984A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池の現在の状態をより正確に検出できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池２０と、燃料電池２０のインピーダンスを取得可能なインピーダンス計測部９０と、を備える。制御部１０は、燃料電池２０が所定の基準状態にあるときの燃料電池２０のインピーダンスを表す基準補正値Ｚｓと、現在の燃料電池２０のインピーダンスの計測値Ｚｍと、を用いて、燃料電池２０の運転制御を実行する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ。）は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子の薄膜を備えており、燃料電池の内部の水分状態がその発電効率に影響する。燃料電池システムでは、燃料電池の内部抵抗を表すインピーダンスを計測して、燃料電池内部の水分状態の変化を検出する場合がある（例えば、下記特許文献１）。
特開２０１３−１１００１９号公報
燃料電池の内部抵抗は、燃料電池の経年劣化などによっても変化することが知られている。そのため、燃料電池が経年劣化した場合には、燃料電池のインピーダンスと燃料電池内部の水分状態との相関関係が変化してしまい、燃料電池の水分状態を正確に検出できなくなってしまう可能性がある。従来から、燃料電池の運転制御に応用するために、燃料電池内部の水分状態に限らず、燃料電池の現在の状態をより正確に検出できる技術が望まれている。
本発明は、少なくとも上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
［１］本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、インピーダンス取得部と、制御部と、を備えて良い。前記インピーダンス取得部は、前記燃料電池のインピーダンスを取得可能であって良い。前記制御部は、前記燃料電池が所定の状態にあるときの前記燃料電池のインピーダンスを表す第１インピーダンスと、運転制御中に前記インピーダンス取得部によって取得した前記燃料電池のインピーダンスを表す第２インピーダンスと、を用いて、前記燃料電池の運転制御を実行して良い。この形態の燃料電池システムによれば、第１インピーダンスと第２インピーダンスとを用いることによって燃料電池の状態をより正確に検出することが可能であり、燃料電池の状態に応じたより適切な運転制御が可能である。
［２］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第１インピーダンスに基づいて前記第２インピーダンスを補正し、補正後の前記第２インピーダンスに基づいて前記燃料電池の運転制御を実行して良い。この形態の燃料電池システムによれば、第１インピーダンスに基づいて第２インピーダンスが適正化されるため、より正確に燃料電池の状態を検出することが可能になる。
［３］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池が前記所定の状態であるときに、前記インピーダンス取得部によって前記燃料電池のインピーダンスを今回値として取得し、前記今回値を用いて前記第１インピーダンスを更新して良い。この形態の燃料電池システムによれば、第１インピーダンスの値がより適正化され、インピーダンスに基づく燃料電池の状態検出の精度がさらに高められる。
［４］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の運転温度が前記所定の温度範囲内であるときに前記今回値を取得して良い。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池がインピーダンスの測定に適した温度状態にあるときに、第１インピーダンスの更新のための今回値を取得でき、第１インピーダンスの値の信頼性が高められる。
［５］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の運転温度が所定の温度範囲内であるときに、前記今回値を取得して良い。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池がインピーダンスの測定に適した温度状態が継続されているときに今回値を取得でき、燃料電池が著しく高温の状態であった直後などに、今回値が取得されてしまうことを抑制でき、第１インピーダンスの値の信頼性の低下が抑制される。
［６］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記今回値と前記第１インピーダンスの前回値との差が更新後の前記第１インピーダンスにおいて緩和されるように、前記差を反映させて前記第１インピーダンスを更新して良い。この形態の燃料電池システムによれば、第１インピーダンスが逐次的に更新されるため、第１インピーダンスの値がさらに適正化される。
［７］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第１インピーダンスの更新の際に前記差が反映される度合いを表す補正強度を可変に設定して良い。この形態の燃料電池システムであれば、補正強度の変更によって、第１インピーダンスの適正化のための学習速度を任意に制御できる。
［８］上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記第１インピーダンスを記憶する記憶部を備え、前記制御部は、前記記憶部が初期化された履歴を検出可能であり、前記履歴を検出した場合に、前記今回値が反映される度合いが大きくなるように前記補正強度を変更して良い。この形態の燃料電池システムであれば、記憶部の記憶内容が初期化された後の第１インピーダンスの学習速度が高められるため、第１インピーダンスが記憶部の初期化前の値近傍に復旧するまでの時間が短縮化される。
［９］上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記第１インピーダンスを記憶する記憶部を備え、前記制御部は、前記記憶部が初期化された履歴を検出可能であり、前記履歴を検出した場合に、前記第１インピーダンスの初期値を、前記記憶部が初期化される前の前記第１インピーダンスの初期値より大きい値に設定して良い。この形態の燃料電池システムであれば、第１インピーダンスが記憶部の初期化前の値近傍に復旧するまでの時間が短縮化される。
［１０］上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部を備え、前記制御部は、前記第１インピーダンスと前記第２インピーダンスとを用いた前記燃料電池の運転制御として、前記反応ガス供給部の制御を実行して良い。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池に対する反応ガスの供給が燃料電池の現在のインピーダンスに応じてより適切に実行される。
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
本発明は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池のインピーダンスの計測装置や計測方法、補正方法、燃料電池システムの制御方法、それらの方法を実現するコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
第１実施形態の燃料電池システムの構成を示す概略図。 第１実施形態の燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。 燃料電池のインピーダンスを説明するための説明図。 制御部が実行する燃料電池の運転制御のフローを示す説明図。 インピーダンス補正基準値更新処理のフローを示す説明図。 インピーダンス取得処理のフローを示す説明図。 第２実施形態の燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。 第２実施形態のインピーダンス補正基準値更新処理のフローを示す説明図。 補正基準値を初期値の代わりに代替初期値に設定したときの効果を示す説明図。
A．第１実施形態：
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者（ユーザー）からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池２０と、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、冷媒供給部７０と、を備える。
制御部１０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピューターによって構成され、主記憶装置上にプログラムを読み込んで実行することにより、種々の機能を発揮する。制御部１０は、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、燃料電池２０に出力要求に応じた電力を発電させる燃料電池２０の運転制御を実行する機能を有する。制御部１０は、さらに、燃料電池２０の運転制御に用いられる燃料電池２０のインピーダンスを取得して補正するインピーダンス処理部１５としての機能を有する。制御部１０による燃料電池２０の運転制御およびインピーダンス処理部１５の機能については後述する。
燃料電池２０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池２０は、複数の単セル２１が積層されたスタック構造を有する。各単セル２１は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレーター（図示せず）と、を有する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。膜電極接合体の電極は、触媒層と、ガス拡散層と、を有する。
カソードガス供給部３０は、燃料電池２０にカソードガスを供給する機能と、燃料電池２０のカソード側から排出される排水とカソード排ガスとを燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、を有する。カソードガス供給部３０は、燃料電池２０の上流側に、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサー３２と、エアフロメーター３３と、開閉弁３４と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池２０のカソード側の入口に接続された配管である。エアコンプレッサー３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池２０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池２０に供給する。
エアフロメーター３３は、エアコンプレッサー３２の上流側において、エアコンプレッサー３２が取り込む外気の量を計測し、制御部１０に送信する。制御部１０は、この計測値に基づいてエアコンプレッサー３２を駆動することにより、燃料電池２０に対する空気の供給量を制御する。開閉弁３４は、エアコンプレッサー３２と燃料電池２０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサー３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。
カソードガス供給部３０は、燃料電池２０の下流側に、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４と、を備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池２０のカソード側の出口に接続された配管であり、排水及びカソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧弁４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池２０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部１０に送信する。制御部１０は、圧力計測部４４の計測値に基づいて調圧弁４３の開度を調整する。
アノードガス供給部５０は、燃料電池２０にアノードガスを供給する機能と、燃料電池２０から排出されるアノード排ガスを、燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、燃料電池システム１００内において循環させる機能と、を有する。アノードガス供給部５０は、燃料電池２０の上流側に、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２には、燃料電池２０に供給するための高圧水素が充填されている。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池２０のアノード側の入口に接続されている。
アノードガス配管５１には、開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とが、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。制御部１０は、開閉弁５３の開閉を制御することによって、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレーター５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部１０によって制御されている。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクターによって構成される。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部１０に送信する。制御部１０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５の駆動周期（開閉周期）を制御することによって、燃料電池２０に供給される水素量を制御する。
アノードガス供給部５０は、燃料電池２０の下流側に、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７と、を備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池２０のアノード側の出口と気液分離部６２とを接続する配管である。アノード排ガス配管６１には、圧力計測部６７が設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池２０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池２０のアノード側の背圧）を計測し、制御部１０に送信する。
気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。アノード排ガス配管６１を介して気液分離部６２に流入したアノード排ガスは、気液分離部６２によって気体成分と水分とに分離される。気液分離部６２内において、アノード排ガスの気体成分はアノードガス循環配管６３へと誘導され、水分はアノード排水配管６５へと誘導される。
アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられており、この水素循環用ポンプ６４によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、アノードガス配管５１へと送り出される。
アノード排水配管６５には排水弁６６が設けられている。排水弁６６は、制御部１０からの指令に応じて開閉する。制御部１０は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。アノード排水配管６５の下流端は、アノード側の排水とアノード排ガスとを、カソード側の排水とカソード排ガスとに混合して排出可能なように、カソード排ガス配管４１に合流されている（図示は省略）。
冷媒供給部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエーター７２と、循環ポンプ７５と、２つの温度計測部７６ａ，７６ｂとを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池２０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、で構成される。上流側配管７１ａは、燃料電池２０内の冷媒流路の出口とラジエーター７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池２０内の冷媒流路の入口とラジエーター７２の出口とを接続する。
ラジエーター７２は、外気を取り込むファンを有し、冷媒用配管７１の冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。循環ポンプ７５は、下流側配管７１ｂに設けられており、制御部１０の指令に基づき駆動する。冷媒は、循環ポンプ７５の駆動力によって冷媒用配管７１内を流れる。
第１温度計測部７６ａは上流側配管７１ａに設けられ、第２温度計測部７６ｂは下流側配管７１ｂに設けられている。制御部１０は、２つの温度計測部７６ａ，７６ｂによって各配管７１ａ，７１ｂにおける冷媒温度を検出し、各配管７１ａ，７１ｂの冷媒温度の差から燃料電池２０の運転温度を検出する。制御部１０は、燃料電池２０の運転温度に基づいて循環ポンプ７５の回転数を制御することによって、燃料電池２０の運転温度を制御する。
図２は、燃料電池システム１００の電気的構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、さらに、二次電池８２と、ＤＣ／ＤＣコンバーター８４と、ＤＣ／ＡＣインバーター８６と、インピーダンス計測部９０と、第１記憶部９１と、第２記憶部９２と、を備える。燃料電池システム１００では、燃料電池２０は、直流配線８１を介してＤＣ／ＡＣインバーター８６に接続されている。ＤＣ／ＡＣインバーター８６は、燃料電池車両の駆動力源である三相交流モーター２００（以下、単に「モーター２００」と呼ぶ。）に接続されている。二次電池８２は、ＤＣ／ＤＣコンバーター８４を介して、直流配線８１に接続されている。
二次電池８２は、例えば、リチウムイオン電池で構成される。二次電池８２は、燃料電池２０の出力電力や、モーター２００の回生電力によって充電され、燃料電池２０とともに電力源として機能する。ＤＣ／ＤＣコンバーター８４は、制御部１０の指令に基づいて直流配線８１の電圧レベルを可変に調整し、燃料電池２０の電流・電圧を制御するとともに、二次電池８２の充・放電を制御する。ＤＣ／ＡＣインバーター８６は、燃料電池２０と二次電池８２とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、モーター２００に供給する。また、モーター２００によって回生電力が発生する場合には、その回生電力を直流電力に変換する。
インピーダンス計測部９０は、本発明のインピーダンス取得部に相当する。インピーダンス計測部９０は、交流インピーダンス法を利用して、燃料電池２０の各単セル２１のインピーダンスを取得し、制御部１０に出力する。インピーダンス計測部９０は、交流電源を備えており、制御部１０の指令に応じて、燃料電池２０の各単セル２１に高周波（例えば、数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ）の交流を印加し、各単セル２１のインピーダンスのうちの直流抵抗成分（後述）を計測する。以下では、各単セル２１において得られるインピーダンスを特に区別することなく、単に「燃料電池２０のインピーダンス」として説明する。制御部１０は、インピーダンス計測部９０によって取得された燃料電池２０のインピーダンスを用いて、燃料電池２０の運転制御を実行する。
第１記憶部９１は、例えば、ＳＲＡＭなどの揮発性メモリによって構成され、記憶情報を書き換え可能（更新可能）に保持する。第１記憶部９１の記憶情報は、二次電池８２の電力によって、燃料電池システム１００の運転終了後にも保持される。第１記憶部９１には、インピーダンス取得処理（後述）においてインピーダンスの補正に用いられる補正基準値Ｚｓが記憶されている。補正基準値Ｚｓはインピーダンス補正基準値更新処理（後述）において更新される。第２記憶部９２は、例えば、ＲＯＭなどの不揮発性メモリによって構成され、更新を必要としない情報を不揮発的に保持する。第１記憶部９１には、燃料電池２０の運転制御において実行されるインピーダンス取得処理におけるインピーダンスの補正に用いられる補正基準値Ｚｓの初期値Ｚ０が記憶されている。補正基準値Ｚｓおよび初期値Ｚ０については、インピーダンス補正処理およびインピーダンス補正基準値更新処理の内容とともに説明する。
［燃料電池のインピーダンス］
図３は、燃料電池のインピーダンスを説明するための説明図である。図３の（ａ）欄には、交流インピーダンス測定によって、一般的な固体高分子形燃料電池において得られるナイキストプロット（コールコールプロット）の一例が図示されている。図３の（ｂ）欄には、燃料電池のインピーダンスにおける直流成分の経年変化を示すグラフが図示されている。燃料電池のインピーダンスには、ナイキストプロットにおいて略半円状のグラフ部分によって表される交流抵抗成分と、略直線状のグラフ部分によって表される直流抵抗成分と、が含まれる（図３の（ａ）欄）。上述したように、本実施形態のインピーダンス計測部９０は、高周波の交流を用いて、インピーダンスの直流抵抗成分を計測する。
インピーダンスの直流抵抗成分には、燃料電池における電解質膜の抵抗やプロトンの移動抵抗など、電解質膜の抵抗やプロトンの移動抵抗は燃料電池内の水分量に応じて変動する成分が含まれる（図３の（ｂ）欄）。そのため、燃料電池内の水分量とインピーダンスの直流抵抗成分との相関関係を予め取得しておくことによって、インピーダンスの直流抵抗成分に基づいて燃料電池内部の水分状態を検出することが可能である。
ここで、インピーダンスの直流抵抗成分には、ガス拡散層やセパレーターなどの導電性部材の抵抗や、それらの導電性部材間の接触抵抗など、燃料電池内の水分量にほとんど影響されない成分も含まれる。それらの成分は、導電性部材の酸化などの経年劣化や燃料電池スタックの締結加重の経年変化に影響されて経年的に増大する。本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池２０の運転制御に用いられる燃料電池２０のインピーダンスが燃料電池２０における水分量をより適切に表す値になるように、そうした経年変化の影響を低減するための補正を行う。
［燃料電池システムの運転制御］
図４は、制御部１０が実行する燃料電池２０の運転制御のフローを示す説明図である。ステップＳ１０では、制御部１０のインピーダンス処理部１５によって、インピーダンス取得処理（ステップＳ４０）においてインピーダンスの補正に用いられる補正基準値Ｚｓを更新するインピーダンス補正基準値更新処理が実行される。補正基準値および補正基準値更新処理の内容については後述する。
ステップＳ２０では、制御部１０はユーザーからの出力要求を検出する。ステップＳ３０では、制御部１０はユーザーからの出力要求に応じて燃料電池２０に出力させる目標電力を決定する。ステップＳ４０では、インピーダンス処理部１５が、インピーダンス計測部９０によって燃料電池２０のインピーダンスを取得するインピーダンス取得処理を実行する。インピーダンス取得処理では、基準補正値Ｚｓを用いてインピーダンスの計測値が補正される。インピーダンス取得処理の内容については後述する。
ステップＳ４５では、制御部１０は、補正後のインピーダンスである判定用インピーダンスに基づいて燃料電池２０に対する反応ガスの供給制御を通常運転と水分増加運転のいずれかに切り替えるためのインピーダンス判定処理を実行する。制御部１０は、補正後のインピーダンスが所定の値以下の場合には、燃料電池２０の内部に十分な水分量が有る湿潤状態であるものとして、ステップＳ５０の通常運転を行う。一方、補正後のインピーダンスが所定の値より大きい場合には、燃料電池２０の内部の水分量が不足している乾燥状態であるものとして、ステップＳ５５の水分増加運転を行う。
ステップＳ５０の通常運転では、制御部１０は、予め準備されている所定の制御マップなどを用いて、ステップＳ２０において決定された目標出力に応じて、燃料電池２０に対する反応ガスの目標供給流量と目標圧力とを設定する。以後、通常運転での反応ガスの目標圧力を「第１目標圧力」とも呼ぶ。制御部１０は、カソードガス供給部３０とアノードガス供給部５０に目標供給流量と第１目標圧力に応じた反応ガスの供給運転を開始させる。
ステップＳ５５の水分増加運転では、制御部１０は通常運転と同様に、反応ガスの目標供給流量を決定する一方で、通常運転における第１目標圧力よりも高い目標圧力（以後、「第２目標圧力」とも呼ぶ。）に設定する。制御部１０は、カソードガス供給部３０とアノードガス供給部５０に目標供給流量と第２目標圧力に応じた反応ガスの供給運転を開始させる。水分増加運転では、燃料電池２０に対して、通常運転の場合よりも高い圧力で反応ガスが供給される。これによって、排ガス中の水蒸気分圧を下げることができ、反応ガスによって燃料電池２０の内部から持ち去られる水分量を低減させることができる。従って、燃料電池２０内の水分量を通常運転の時よりも増加させることができる。
制御部１０は、燃料電池システム１００の運転が終了されるまで、ステップＳ１０〜Ｓ５５の処理を繰り返す（ステップＳ６０）。このように、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池２０の燃料電池２０のインピーダンスに基づいて燃料電池２０内の水分量が判定される。そして、燃料電池２０が乾燥状態にあると判定された場合には、水分増加運転において、燃料電池２０内の水分量が増加する反応ガスの供給制御が実行される。従って、燃料電池２０内の水分量が不足することによる発電効率の低下が抑制される。
図５は、インピーダンス処理部１５によって実行されるインピーダンス補正基準値更新処理（図４のステップＳ１０）のフローを示す説明図である。補正基準値Ｚｓは、本発明における第１インピーダンスに相当する。補正基準値Ｚｓは、燃料電池２０のインピーダンスを補正するときに基準となる値であり、燃料電池２０の電解質膜が良好な湿潤状態であることが担保される所定の基準状態にあるときの燃料電池２０のインピーダンスを表す値である。補正基準値Ｚｓは、燃料電池２０が基準状態であるときにインピーダンス計測部９０によって取得されるインピーダンスに基づいて逐次的に更新される。
ステップＳ２１０では、インピーダンス処理部１５は、燃料電池２０の運転温度に基づいて燃料電池２０が所定の基準状態であるか否かを判定する。インピーダンス処理部１５は、以下の条件（ａ），（ｂ）の両方が満たされるときに、燃料電池２０が基準状態であると判定する。
（ａ）燃料電池２０の運転温度がＴ１以上、かつ、Ｔ２以下である。
（ｂ）燃料電池２０の運転温度がＴ３以下である状態が所定の期間ｐだけ継続されている。
条件（ａ）では、燃料電池２０の運転温度が温度Ｔ１以上であることを条件とすることによって、燃料電池２０のインピーダンスの測定値に反応ガスの拡散抵抗などのノイズが乗ってしまうことを抑制する。温度Ｔ１は、インピーダンスの測定に用いられる交流の周波数に応じて予め実験的に求められた温度を採用すれば良い。本実施形態では、温度Ｔ１は５５℃である。
条件（ａ）では、燃料電池２０の運転温度が温度Ｔ２以下であることを条件とすることによって、燃料電池２０の現在の運転温度が、電解質膜が乾燥状態になる温度ではないことを担保する。温度Ｔ２は、予め実験等によって求められた燃料電池２０の電解質膜が乾燥状態となる可能性が低い温度を採用すれば良い。本実施形態では、温度Ｔ２は６０℃である。
条件（ｂ）は、燃料電池２０の運転温度が著しく高い温度（例えば９０℃程度）であった直後ではないことを担保するための条件である。燃料電池２０の運転温度が高温であった直後には、電解質膜の乾燥状態が解消されていない可能性があるためである。条件（ｂ）の温度Ｔ３は、燃料電池２０の平均運転温度に基づいて定められても良く、条件（ａ）の温度Ｔ２のように、実験等によって求められた燃料電池２０の電解質膜が乾燥状態となる可能性が低い温度が採用されても良い。本実施形態では、温度Ｔ３は、条件（ａ）の温度Ｔ２と同じく、６０℃である。
条件（ｂ）の所定の期間ｐは、燃料電池２０の運転温度が著しく高い温度（例えば９０℃程度）から通常の温度（例えば６０℃程度）に戻ったときに電解質膜の乾燥状態が解消される程度の時間であることが望ましい。本実施形態では、所定の期間ｐは６０秒とする。
条件（ａ），（ｂ）の少なくとも一方でも満たされない場合には、インピーダンス処理部１５は、燃料電池２０が所定の基準状態にはないとして、インピーダンス補正基準値更新処理を終了する（ステップＳ２１０のＮＯ）。この場合には、基準補正値Ｚｓが更新されないまま、図３のステップＳ２０以降の燃料電池２０の運転制御が継続される。
条件（ａ），（ｂ）の両方が満たされた場合には、インピーダンス処理部１５は、燃料電池２０が所定の基準状態にあると判定する（ステップＳ２１０のＹＥＳ）。この場合には、基準補正値Ｚｓの更新に用いるための燃料電池２０のインピーダンスをインピーダンス計測部９０から取得する（ステップＳ２２０）。以下では、ステップＳ２２０において取得される燃料電池２０のインピーダンスを「今回値Ｚｃ」と呼ぶ。
ステップＳ２３０では、インピーダンス処理部１５は第１記憶部９１（図２）に記憶されている補正基準値Ｚｓを前回値Ｚｐとして読み込む（Ｚｐ＝Ｚｓ）。なお、インピーダンス補正基準値更新処理が初回の場合には、前回値Ｚｐとしては、第２記憶部９２に記憶されている補正基準値Ｚｓの初期値Ｚ０が設定される。初期値Ｚ０は、工場出荷時における燃料電池２０が所定の基準状態にあるときのインピーダンスを表す予め実験的に求められた値である。
ステップＳ２４０では、インピーダンス処理部１５は、前回値Ｚｐと今回値Ｚｃとの差が更新後の補正基準値Ｚｓにおいて緩和されるように、現在の補正基準値Ｚｓである前回値Ｚｐに対して当該差を反映させる補正を行って、補正基準値Ｚｓを更新する。具体的には、今回値Ｚｃから前回値Ｚｐを減じた差に係数α（αは１未満の実数）を乗じて、前回値Ｚｐに加算した値を、新たな基準補正値Ｚｓとする補正を行う（下記の式（Ａ））。
Ｚｓ＝Ｚｐ＋α（Ｚｃ−Ｚｐ） …（Ａ）
ここで、係数αは、いわゆるなまし係数であり、今回値Ｚｃと前回値Ｚｐとの差が基準補正値Ｚｓに反映される度合いを示す補正強度に相当する。今回値Ｚｃと前回値Ｚｐとの差に係数αを乗ずることによって、今回値Ｚｃが測定誤差などによって偶然的に極端に大きな値として取得されてしまったとしても、基準補正値Ｚｓが即座にその影響を受けてしまうことが抑制される。なお、上記の式（Ａ）は、下記の式（Ａ’）のように展開可能である。下記の式（Ａ’）に示されているように、上記の補正は、係数αによって、今回値Ｚｃと前回値Ｚｐの重み付けが行われているとの解釈が可能である。
Ｚｓ＝αＺｃ＋（１−α）Ｚｐ …（Ａ’）
インピーダンス処理部１５は、第１記憶部９１（図２）の基準補正値Ｚｓを補正後の基準補正値Ｚｓに書き換えて更新し、インピーダンス補正基準値更新処理を終了する。その後、制御部１０によって、図３のステップＳ２０以降の燃料電池２０の運転制御が継続される。
このように、本実施形態では、燃料電池２０の電解質膜の湿潤状態が良好であることが担保されている基準状態において、基準補正値Ｚｓを更新するための今回値Ｚｐが取得されている。従って、インピーダンスを補正するための基準値としての基準補正値Ｚｓの信頼性が高められている。また、基準補正値Ｚｓは逐次的に更新されており、基準補正値Ｚｓには燃料電池２０の状態変化が適切にリアルタイムで反映されている。従って、以下に説明するインピーダンス取得処理におけるインピーダンスの補正の信頼性が確保される。
図６は、インピーダンス処理部１５によって実行されるインピーダンス取得処理（図４のステップＳ４０）のフローを示す説明図である。ステップＳ３１０では、インピーダンス処理部１５は、インピーダンス計測部９０によって、燃料電池２０の現在のインピーダンスの計測値Ｚｍを取得する。計測値Ｚｍは、本発明における第２インピーダンスに相当する。ステップＳ３２０では、インピーダンス処理部１５は、第２記憶部９２（図２）から補正基準値Ｚｓの初期値Ｚ０を読み込む。
ステップＳ３３０では、インピーダンス処理部１５は、補正基準値Ｚｓと初期値Ｚ０とを用いて計測値Ｚｍを補正する。より具体的には、インピーダンス処理部１５は、補正基準値Ｚｓと初期値Ｚ０との差を、計測値Ｚｍから減じる補正を行う。この補正によって、インピーダンス処理部１５は、ステップＳ４５の判定処理に用いられる補正後のインピーダンスである判定用インピーダンスＺｊを取得する（下記の式（Ｂ））。
Ｚｊ＝Ｚｍ−（Ｚｓ−Ｚ０） …（Ｂ）
上記の式（Ｂ）における補正基準値Ｚｓと初期値Ｚ０との差（Ｚｓ−Ｚ０）は、図３の
（Ｂ）欄のグラフにおいて示されている経年変化によるインピーダンスの増加量ΔＤに相当する。つまり、上記の補正によって得られる判定用インピーダンスＺｊは、経年変化によるインピーダンスの増加成分が除かれた値に相当し、現在の燃料電池２０内の水分量をより適切に表すように適正化されている。
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１００では、第１インピーダンスに相当する補正基準値Ｚｓを用いて第２インピーダンスに相当する計測値Ｚｍを補正した判定用インピーダンスＺｊに基づいて燃料電池２０内部の水分状態が判定されている。従って、燃料電池２０内部の水分状態に応じた燃料電池２０の運転制御がより適切に実行される。
B．第２実施形態：
図７は、本発明の第２実施形態としての燃料電池システム１００Ａの電気的構成を示す概略図である。第２実施形態の燃料電池システム１００Ａの構成は、通電状態監視部９３を備えている点と、第２記憶部９２に、初期値Ｚ０に加えて、代替初期値Ｚ１が記憶されている点以外は、第１実施形態の燃料電池システム１００の構成とほぼ同じである。第２実施形態の燃料電池システム１００Ａにおける燃料電池２０の運転制御は、インピーダンス補正基準値更新処理のフローが異なっている点以外は、第１実施形態の運転制御とほぼ同じである。
第１実施形態で説明したのと同様に、第１記憶部９１は、燃料電池システム１００Ａの運転停止中には、二次電池８２の電力によってその記憶情報を保持する。通電状態監視部９３は、二次電池８２からの第１記憶部９１への通電状態を監視する。
二次電池８２からの第１記憶部９１に対する通電は、例えば、燃料電池車両のメンテナンスのために二次電池８２が燃料電池車両から外された場合や、二次電池８２の充電量が不足してしまった場合などの不測の事態に陥った場合に途絶えてしまう可能性がある。通電状態監視部９３は、燃料電池システム１００Ａの運転停止中に、そうした第１記憶部９１に対する電力供給の途絶を検出すると、その途絶している時間を計測する。通電状態監視部９３は、燃料電池システム１００Ａの起動後に、その検出結果を制御部１０へと送信する。
図８は、インピーダンス処理部１５によって実行される第２実施形態のインピーダンス補正基準値更新処理のフローを示す説明図である。第２実施形態のインピーダンス補正基準値更新処理は、ステップＳ２１０の前に、ステップＳ２０１，Ｓ２０２の処理が実行される点以外は、第１実施形態とほぼ同じである。図８では、便宜上、ステップＳ２１０以降の処理についての図示は省略されている。
ステップＳ２０１では、インピーダンス処理部１５は、通電状態監視部９３からの検出結果に基づき、第１記憶部９１の記憶情報がリセット（初期化）された履歴の有無を検証する。インピーダンス処理部１５は、通電状態監視部９３によって、燃料電池システム１００の停止中に第１記憶部９１に対する電力供給の途絶が検出され、その途絶の期間が所定の時間より長い場合には、第１記憶部９１の記憶情報がリセットされたと判定する。この場合には、インピーダンス処理部１５は、ステップＳ２０２の処理を実行する（ステップＳ２０１のＹＥＳ）。
インピーダンス処理部１５は、通電状態監視部９３によって第１記憶部９１に対する二次電池８２からの電力供給の所定の期間より長い途絶が検出されていない場合には、第１記憶部９１の記憶情報が維持されていると判定する。この場合には、インピーダンス処理部１５は、第１実施形態において説明したステップＳ２１０（図４）以降の処理を開始する。
ステップＳ２０２では、インピーダンス処理部１５は、リセットされた補正基準値ＺＳの復旧を迅速化するために処理条件を変更する処理を実行する。インピーダンス処理部１５は、上述した式（Ａ）に含まれる補正強度である係数αの値を前回処理時よりも増加させる。例えば、係数αが０．５であった場合には、０．８に増加させる。これによって、ステップＳ２４０（図５）における補正基準値Ｚｓの更新の際に、今回値Ｚｃと前回値Ｚｐとの差が反映される度合いが高められ、補正基準値Ｚｓがリセット前の値に到達するまでの更新回数が少なくなり、補正基準値Ｚｓの学習期間が短縮される。
インピーダンス処理部１５は、さらに、補正基準値Ｚｓを初期値Ｚ０の代わりに代替初期値Ｚ１に設定する。代替初期値Ｚ１は、工場出荷時の燃料電池２０を基準としている初期値Ｚ０と、長期間（例えば十数年程度）の使用を想定した耐久試験後の燃料電池２０が所定の基準状態にあるときのインピーダンスを表す耐久試験後基準インピーダンスＺ２との中間値である（Ｚ１＝（Ｚ０＋Ｚ２）／２）。
図９は、補正基準値Ｚｓを初期値Ｚ０の代わりに代替初期値Ｚ１に設定したときの効果を示す説明図である。図９には、縦軸を補正基準値Ｚｓの値とし、横軸を補正基準値Ｚｓの更新回数とするグラフが例示されている。図９のグラフにおける縦軸の値ＬＶは、第１記憶部９１の記憶情報がリセットされる直前における消失前の補正基準値Ｚｓ、つまり、補正基準値Ｚｓが復旧されるべき値を意味している。
第１記憶部９１がリセットされた後の最初の補正基準値Ｚｓが初期値Ｚ０に設定された場合には、ステップＳ２４０の更新処理が繰り返されるごとに補正基準値Ｚｓは増加し、第１記憶部９１のリセット前の値ＬＶに近づいていく（一点鎖線グラフＧａ）。最初の補正基準値Ｚｓが耐久試験後基準インピーダンスＺ２に設定された場合には、補正基準値ＺｓはステップＳ２４０の更新処理が繰り返されるごとに減少し、第１記憶部９１のリセット前の値ＬＶに近づいていく（破線グラフＧｂ）。
最初の補正基準値Ｚｓが、代替初期値Ｚ１に設定されれば、補正基準値Ｚｓは最初からリセット前の値ＬＶに近い値になる。そのため、上記の初期値Ｚ０や耐久試験後基準インピーダンスＺ２に設定された場合よりも少ない更新回数でリセット前の値ＬＶに到達できる（実線グラフＧｃ）。なお、代替初期値Ｚ１は、初期値Ｚ０と耐久試験後基準インピーダンスＺ２との中間値でなくても良く、初期値Ｚ０よりも大きく、耐久試験後基準インピーダンスＺ２より小さい値であれば良い（Ｚ０＜Ｚ１＜Ｚ２）。
以上のように、第２実施形態の燃料電池システム１００Ａであれば、第１記憶部９１の基準補正値Ｚｓが消失してしまった場合でも、その復旧までの期間が短縮化される。その他、第２実施形態の燃料電池システム１００Ａであれば、第１実施形態において説明したのと同様な作用効果を奏することができる。
C．変形例：
C1．変形例１：
上記各実施形態では、制御部１０は、第１インピーダンスに相当する基準補正値Ｚｓを用いて第２インピーダンスに相当するインピーダンスの計測値Ｚｍを補正した値である判定用インピーダンスＺｊを用いて燃料電池２０の運転制御を実行している。これに対して、制御部１０は、基準補正値Ｚｓを用いて計測値Ｚｍを補正する補正処理を実行しなくても良い。制御部１０は、基準補正値Ｚｓと計測値Ｚｍとを用いて燃料電池２０の運転制御を実行すれば良い。例えば、制御部１０は、基準補正値Ｚｓに応じてステップＳ１０の判定処理の閾値を変更し、計測値Ｚｍを判定用インピーダンスとして用いてステップＳ１０の判定処理を実行しても良い。
C2．変形例２：
上記の各実施形態では、制御部１０は、燃料電池２０の運転制御として、燃料電池２０のインピーダンスに応じて、燃料電池２０に対する反応ガスの供給制御を通常制御と水分増加制御とに切り替える運転制御を実行している。これに対して、制御部１０は、燃料電池２０の運転制御として、他の運転制御を実行しても良い。制御部１０は、例えば、燃料電池２０のインピーダンスに応じて反応ガスの供給流量や供給圧力を変更する反応ガス供給制御を行っても良い。あるいは、制御部１０は、燃料電池２０のインピーダンスに基づいて、燃料電池２０の内部を掃気する掃気処理の実行タイミングを決定する運転制御を実行しても良い。制御部１０は、燃料電池２０のインピーダンスに応じて冷媒の循環流量を変更して燃料電池２０の運転温度を制御する運転制御を実行しても良い。
C3．変形例３：
上記の各実施形態では、制御部１０は、燃料電池２０のインピーダンスを燃料電池２０の内部の湿潤状態を表す値として利用して、燃料電池２０の運転制御を実行している。これに対して、制御部１０は、燃料電池２０のインピーダンスを、燃料電池２０の他の状態を表す値として利用して、燃料電池２０の運転制御を実行しても良い。制御部１０は、例えば、燃料電池２０のインピーダンスを、燃料電池２０におけるプロトンの移動抵抗を表す値として利用し、燃料電池２０のインピーダンスに応じて、燃料電池２０の目標出力を変更する運転制御を実行して良い。
C4．変形例４：
上記の各実施形態では、インピーダンス処理部１５は、補正基準値Ｚｓに対して、今回値Ｚｃを用いて、前回値Ｚｃと今回値Ｚｐとの差が小さくなるように、今回値Ｚｃと前回値Ｚｐとの差を反映させる補正を行っている。これに対して、インピーダンス処理部１５は、補正基準値Ｚｓに対して、今回値Ｚｃを用いた他の補正を行っても良い。インピーダンス処理部１５は、今回値Ｚｃを取得する度に、補正基準値Ｚｓを今回値Ｚｃに置き換える補正処理を実行しても良い。インピーダンス処理部１５は、今回値Ｚｃと前回値Ｚｐとの間に差がある場合には、所定の補正量だけ補正基準値Ｚｓを増加または減少させる補正を行ってもよい。インピーダンス処理部１５は、係数αを乗算することなく、前回値Ｚｐから今回値Ｚｃと前回値Ｚｐとの差を減じて補正基準値Ｚｓを取得する演算処理を行っても良い。
C5．変形例５：
上記の各実施形態では、インピーダンス処理部１５は、燃料電池２０の運転温度に基づいて、燃料電池２０が所定の基準状態にあるか否かの判定を行っている。これに対して、インピーダンス処理部１５は、燃料電池２０の運転温度以外のパラメーターに基づいて燃料電池２０が所定の基準状態にあるか否かを判定しても良い。例えば、インピーダンス処理部１５は、燃料電池２０が所定の電流値の範囲での発電を所定の期間継続したときに、燃料電池２０が所定の基準状態にあると判定しても良い。
C6．変形例６：
上記第２実施形態の燃料電池システム１００Ａでは、第１記憶部９１の記憶情報がリセットされた場合に、係数αを増加させる処理と、補正基準値Ｚｓを代替初期値Ｚ１に設定する処理と、が実行されている。これに対して、第１記憶部９１の記憶情報がリセットされた場合には、係数αを増加させる処理と補正基準値Ｚｓを代替初期値Ｚ１に設定する処理のうちのいずれか一方のみが実行されても良い。
C7．変形例７：
上記第２実施形態の燃料電池システム１００Ａでは、インピーダンス処理部１５は、第１記憶部９１の記憶情報がリセットされた場合に、係数αを増加させる処理を実行している。これに対して、インピーダンス処理部１５は、第１記憶部９１の記憶情報がリセットされた場合に限らず、種々の条件において、係数αを変更する処理を実行しても良い。インピーダンス処理部１５は、例えば、ユーザーから基準補正値Ｚｓの学習速度を変更する指令を受け付けたときに、その指令に応じて係数αを変更しても良い。
C8．変形例８：
上記の各実施形態では、インピーダンス計測部９０によって取得される各単セル２１のインピーダンスを区別することなく、燃料電池２０のインピーダンスとして説明している。上記各実施形態の燃料電池システム１００，１００Ａでは、単セル２１ごとのインピーダンスに基づいて燃料電池２０の運転制御を実行しても良い。例えば、一部の単セル２１のインピーダンスが他の単セル２１よりも高くなっていることを検出した場合に、燃料電池２０の出力電流を一時的に増大させる運転制御や、反応ガスの流量を一時的に増大させる運転制御が実行されても良い。
C9．変形例９：
上記の各実施形態の燃料電池システム１００，１００Ａは、燃料電池車両に搭載されている。これに対して、燃料電池システム１００，１００Ａは、燃料電池車両に搭載されていなくても良く、例えば、建物や施設などに導入されても良い。
C10．変形例１０：
上記の各実施形態の燃料電池システム１００，１００Ａは、燃料電池２０として固体高分子形燃料電池を用いている。これに対して、燃料電池２０は固体高分子形燃料電池でなくても良く、他の種々のタイプの燃料電池であっても良い。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…制御部
１５…インピーダンス処理部
２０…燃料電池
２１…単セル
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサー
３３…エアフロメーター
３４…開閉弁
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレーター
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
７０…冷媒供給部
７１（７１ａ，７１ｂ）…冷媒用配管
７２…ラジエーター
７５…循環ポンプ
７６ａ，７６ｂ…温度計測部
８１…直流配線
８２…二次電池
８４…ＤＣ／ＤＣコンバーター
８６…ＤＣ／ＡＣインバーター
９０…インピーダンス計測部
９１…第１記憶部
９２…第２記憶部
９３…通電状態監視部
１００，１００Ａ…燃料電池システム
２００…モーター

Claims (10)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池のインピーダンスを取得可能なインピーダンス取得部と、
    前記燃料電池が所定の状態にあるときの前記燃料電池のインピーダンスを表す第１インピーダンスと、運転制御中に前記インピーダンス取得部によって取得した前記燃料電池のインピーダンスを表す第２インピーダンスと、を用いて、前記燃料電池の運転制御を実行する制御部と、
    を備える、燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記第１インピーダンスを用いて前記第２インピーダンスを補正し、前記第２インピーダンスに基づいて、前記燃料電池の運転制御を実行する、燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記燃料電池が前記所定の状態であるときに、前記インピーダンス取得部によって前記燃料電池のインピーダンスを今回値として取得し、前記今回値を用いて前記第１インピーダンスを更新する、燃料電池システム。
  4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記燃料電池の運転温度が前記所定の温度範囲内であるときに、前記今回値を取得する、燃料電池システム。
  5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記燃料電池の運転温度が所定の期間にわたって前記所定の温度範囲内であるときに、前記今回値を取得する、燃料電池システム。
  6. 請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記今回値と前記第１インピーダンスの前回値との差が、更新後の前記第１インピーダンスにおいて緩和されるように、前記差を反映させて前記第１インピーダンスを更新する、燃料電池システム。
  7. 請求項６記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記第１インピーダンスの更新の際に前記差が反映される度合いを表す補正強度を可変に設定する、燃料電池システム。
  8. 請求項７記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記第１インピーダンスを記憶する記憶部を備え、
    前記制御部は、前記記憶部が初期化された履歴を検出可能であり、前記履歴を検出した場合に、前記今回値が反映される度合いが大きくなるように前記補正強度を変更する、燃料電池システム。
  9. 請求項６記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記第１インピーダンスを記憶する記憶部を備え、
    前記制御部は、前記記憶部が初期化された履歴を検出可能であり、前記履歴を検出した場合に、前記第１インピーダンスの初期値を、前記記憶部が初期化される前の前記第１インピーダンスの初期値より大きい値に設定する、燃料電池システム。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部を備え、
    前記制御部は、前記第１インピーダンスと前記第２インピーダンスとを用いた前記燃料電池の運転制御として、前記反応ガス供給部の制御を実行する、燃料電池システム。
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