JP4894994B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、電解質膜を透過して酸素極（カソード）から燃料極（アノード）まで達するなどして当該燃料極に存在する窒素の濃度（本明細書ではこれを「アノード窒素濃度」ともいう）の測定ないしは推定技術の改良に関する。
燃料電池システムにおける課題のひとつに、燃料極（アノード）における不純物濃度増大時の運転による寿命低下をいかにして抑制するか、というものがある。
従来、このような課題を解決するための技術の一つとして、燃料電池運転停止時のスタック温度と外気温の差、および起動時のスタック温度と外気温の差を求め、温度比（起動時の温度差／停止時の温度差）に基づき燃料電池の運転停止からの経過時間、ひいては酸素極（カソード）からアノードに電解質膜を透過した窒素の濃度を推定し、この窒素濃度に応じて燃料電池スタックの出力を制限するというものがある（例えば特許文献１参照）。これによれば、アノードの不純物濃度が高い状態での過度な発電を抑制することが可能になる。
特開２００４−１７２０２６号公報
しかしながら、このように窒素濃度を推定して燃料電池スタックの出力を制限しようとしても、上述の運転制御手法のように温度比（起動時の温度差／停止時の温度差）に基づくばかりでは燃料極における窒素濃度を正確に推定することがなかなかに難しい場合がある。このような推定手法においては、窒素濃度を真値（窒素濃度の実際の値）よりも高く推定すると燃料電池スタックの出力を必要以上に制限してしまうために加速性能を悪化させてしまい、その一方で、真値よりも低く推定するとスタックの出力を定格の出力以上に許可することになるため水素欠乏による発電不良が引き起こされ、寿命低下を招来してしまう。したがって、アノード窒素濃度をより正確に推定することができる技術が望まれている。
本発明は、燃料電池スタックにおける窒素濃度をより正確に推定し、これによってアノードの不純物濃度増大時の運転による寿命低下を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明者は上述したような従来技術の内容について検討した。例えば前述の手法の場合、温度比（起動時の温度差／停止時の温度差）のみに基づいて窒素濃度を推定していたが、実際の燃料電池システムにおける窒素濃度への影響因子は、温度比のみならず、スタック温度、燃料極における圧力（本明細書では「アノード圧力」ともいう）、酸素極における圧力（本明細書では「カソード圧力」ともいう）、放置時間（すなわち、燃料電池が停止してから再起動されるまでの時間）、クロスリーク、はたまた電解質膜の劣化など多岐にわたる点を考慮した。そして、さらに検討を重ねた結果、スタック温度、アノード圧力（燃料極における圧力）、そして燃料電池の放置時間に基づいて起動時の燃料極における窒素濃度を推定すればより正確な推定値、真値に近い推定値が得られるとの知見を得るに至った。
本発明はかかる知見に基づくもので、燃料電池の燃料極における窒素の濃度を表す燃料極窒素濃度を、運転停止時における燃料電池スタックの温度と、燃料電池の再起動時における燃料極の圧力と、燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間と、に基づき推定することを特徴とする燃料電池システムであって、燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段と、燃料極の圧力を検出する燃料極圧力検出手段と、放置時間を計測する放置時間計測手段と、燃料極窒素濃度を推定する燃料極窒素濃度推定手段と、を備え、燃料極窒素濃度推定手段は、燃料電池の再起動時、スタック温度検出手段によって検出された運転停止時における燃料電池スタックの温度に基づく、当該温度に対応した該燃料電池スタックの放置時間に対する燃料極の圧力および燃料極窒素濃度の推移を表すマップを用い、燃料極圧力検出手段によって検出された燃料電池の再起動時における燃料極の圧力と、放置時間計測手段によって計測された放置時間と、に基づき燃料極窒素濃度を推定するというものである。
また、燃料極窒素濃度推定手段は、マップとして、燃料極窒素濃度が第１の濃度状態にある場合の当該燃料極窒素濃度の推移を表す第１マップと、燃料極窒素濃度が第１の濃度状態よりも高濃度の状態にある場合の当該燃料極窒素濃度の推移を表す第２マップとを用い、計測された放置時間が、燃料極の圧力が最低値となるまでの時間よりも短い場合には第１マップを用いる一方、計測された放置時間が、燃料極の圧力が最低値となるまでの時間よりも長い場合には第２マップを用いて燃料極窒素濃度を推定することがさらに好ましい。
さらに、上述の燃料電池システムは、放置時間の計測中、放置時間計測手段よる計測時間がクリアされたかどうかを判別するための判別手段を備え、燃料極窒素濃度推定手段は、計測時間がクリアされたと判別した場合には燃料極窒素濃度をマップ中における最大値に擬制することが好ましい。
また、上述の燃料電池システムは、燃料電池の運転停止時における燃料極窒素濃度を記憶するための記憶手段を備え、燃料極窒素濃度推定手段は、運転停止時の当該燃料極窒素濃度の記憶値と再起動時の燃料極窒素濃度の推定値のうち大きい方の値を採用することが好ましい。
本発明においては、実際の燃料電池システムにおける窒素濃度への影響因子として、スタック温度、燃料極における圧力（アノード圧力、放置時間を考慮しこれらに基づいた推定を行うことにより、燃料極における窒素濃度の推定するにあたり、真値（窒素濃度の実際の値）により近い値を得ることが可能となっている。したがって、従来におけるように燃料電池スタックの出力を必要以上に制限してしまい加速性能を悪化させること、あるいはスタックの出力を実力以上に許可して水素欠乏による発電不良を引き起こすことといった問題が生じるのを抑制し、寿命低下の招来を回避することが可能である。
また、本発明に係る燃料電池システムによると、燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段、燃料極の圧力を検出する燃料極圧力検出手段、そして放置時間を計測する放置時間計測手段を用いることによって従来よりも正確に燃料極窒素濃度を推定することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムによると、運転停止時における燃料電池スタックの温度に基づく、当該温度に対応した該燃料電池スタックの放置時間に対する燃料極の圧力および燃料極窒素濃度の推移を表すマップに基づいて燃料極窒素濃度をより正確に推定することが可能となる。
また、本発明に係る燃料電池システムによると、燃料極窒素濃度が低濃度状態にある場合の関係を表す第１マップとこれよりも高濃度状態にある場合の関係を表す第２マップとに分け、放置時間の大小（長短）に応じて適宜適用することとしているために燃料極窒素濃度をより正確に推定することができる。
さらに、本発明に係る燃料電池システムにおいては、計測時間が途中でクリアされた場合に燃料極窒素濃度をマップ中における最大値に擬制することができる。これによれば、本来推定されるべきアノード窒素濃度の真値よりも低い値が推定されて水素欠乏による発電不良が引き起こされるのを回避することが可能となる。
また、本発明に係る燃料電池システムにおいては、運転停止時の当該燃料極窒素濃度の記憶値と再起動時の燃料極窒素濃度の推定値のうち大きい方の値を採用することができる。例えば、アノード窒素濃度が高い状態で燃料電池をいったん停止し、その直後に再起動すると、アノード窒素濃度がまだそれほど低下していないにもかかわらず、真値よりも低く推定してしまい水素欠乏による発電不良が引き起こされるおそれがあるが、本発明によればこのような事態を回避することが可能となる。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
図１〜図３に本発明の一実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０の燃料極における窒素（例えば、電解質膜を透過してカソード（酸素極）からアノード（燃料極）まで達するなどしたもの）の濃度を表す燃料極窒素濃度を、運転停止時における燃料電池スタック２０の温度と、燃料電池の再起動時におけるアノードの圧力と、燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間とに基づき推定することとしている。以下においてはまず燃料電池システム１０の全体の概要について説明し、その後、燃料極窒素濃度を推定するための構成について説明する。
続いて、本実施形態にかかる燃料電池システム１０の構成について説明する。なお、以下においては燃料電池を「ＦＣ」と表現する場合もある。図１に本実施形態にかかる燃料電池システム１０の概略構成を示す。ここでは、燃料電池システム１０を燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いる例を示すが、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）に搭載される発電システム等としても用いることができるのは当然である。燃料電池セルスタック（以下、「燃料電池スタック」あるいは単に「スタック」ともいう）２０は、複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を有するものであり、例えば、固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。
また、本実施形態における燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０に接続された燃料ガス循環供給系と酸化ガス供給系とを備えている。燃料電池スタック２０の燃料ガス循環供給系は、燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路３１、燃料電池スタック２０、燃料ガス循環路３２、及びアノードオフガス流路３３を含んだ構成となっている（図１参照）。
燃料ガス供給源３０は、例えば、高圧水素タンク又は水素貯蔵タンク等の水素貯蔵源によって構成されている。燃料ガス供給路３１は燃料ガス供給源３０から放出される燃料ガスを燃料電池スタック２０のアノード（燃料極）に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ２０１、高圧レギュレータＨ９、低圧レギュレータＨ１０、水素供給バルブＨ２００、及びＦＣ入口バルブＨ２１が各々配設されている。高圧に圧縮された燃料ガスは高圧レギュレータＨ９にて中圧に減圧され、更に低圧レギュレータＨ１０にて低圧（通常運転圧力）に減圧されるようになっている。
燃料ガス循環路３２は未反応燃料ガスを燃料電池スタック２０に還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ２２、水素ポンプ６３、及び逆止弁Ｈ５２が各々配設されている。燃料電池スタック２０から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ６３によって適度に加圧され、燃料ガス供給路３１に導かれる。逆止弁Ｈ５２は燃料ガス供給路３１から燃料ガス循環路３２への燃料ガスの逆流を抑制する。また、この燃料ガス循環路３２の途中で分岐するアノードオフガス流路３３は燃料電池スタック２０から排出された水素オフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５１が配設されている。
なお、上述したタンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣ入口バルブＨ２１、ＦＣ出口バルブＨ２２、及びパージバルブＨ５１は各ガス流路３１〜３３又は燃料電池スタック２０へ燃料ガスを供給し、或いは遮断するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。このような電磁弁としては、例えばオンオフ弁、或いはＰＷＭ制御で弁開度をリニアに調整できるリニア弁等が好適である。
燃料電池スタック２０の酸化ガス供給系は、エアコンプレッサ（酸化ガス供給源）４０、酸化ガス供給路４１、及びカソードオフガス流路４２を含んだ構成となっている。なお、エアコンプレッサ４０はエアフィルタ６１を介して外気から取り込んだ空気を圧縮し、その圧縮エアを酸化ガスとして燃料電池スタック２０のカソード（酸素極）に供給する。燃料電池スタック２０の電池反応に供された後の酸素オフガスはカソードオフガス流路４２を流れてシステム外に排気される。この酸素オフガスは燃料電池スタック２０での電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態になっている。加湿モジュール６２は酸化ガス供給路４１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路４２を流れる高湿潤状態の酸素オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池スタック２０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池スタック２０に供給される酸化ガスの背圧は、カソードオフガス流路４２のカソード出口付近に配設された圧力調整弁Ａ４によって調圧される。また、カソードオフガス流路４２はその下流において希釈器６４に連通している。さらにこの希釈器６４にはアノードオフガス流路３３がその下流において連通しており、水素オフガスを酸素オフガスによって混合希釈した後にシステム外に排気するように構成されている。
燃料電池スタック２０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ５３によって降圧され、バッテリー（二次電池）５４に充電される。トラクションインバータ５１及び補機インバータ５２は燃料電池スタック２０とバッテリー５４の双方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータＭ３と補機モータＭ４のそれぞれに交流電力を供給する。ちなみに、補機モータＭ４は後述の水素循環ポンプ６３を駆動するモータＭ２やエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１等を総称して表現しているものであり、したがってモータＭ１として機能する場合もあればモータＭ２として機能する場合もあるということになる。なお、以下の説明では、燃料電池スタック２０及びバッテリー５４のいずれか一方若しくは双方によって駆動されるものを負荷と総称する。
制御部５０はアクセルセンサ５５が検出したアクセル開度、車速センサ５６が検出した車速等に基づいてシステム要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求め、燃料電池スタック２０が目標電力に一致するようにシステムを制御する。具体的には、制御部５０はエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１の回転数を調整して酸化ガス供給量を調整するとともに、水素ポンプ６３を駆動するモータＭ２の回転数を調整して燃料ガス供給量を調整する。また、制御部５０はＤＣ／ＤＣコンバータ５３を制御して燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整し、燃料電池スタック２０の出力電力が目標電力に一致するように調整する。
高圧部（タンクバルブＨ２０１〜水素供給バルブＨ２００の区間）、低圧部（水素供給バルブＨ２００〜ＦＣ入口バルブＨ２１）、ＦＣ部（スタック入り口バルブＨ２１〜ＦＣ出口バルブＨ２２）、循環部（ＦＣ出口バルブＨ２２〜逆止弁Ｈ５２）の各部には、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ（状態検出手段）Ｐ６，Ｐ７，Ｐ９，Ｐ６１，Ｐ５，Ｐ１０，Ｐ１１と燃料ガスの温度を検出する温度センサ（状態検出手段）Ｔ６，Ｔ７，Ｔ９，Ｔ６１，Ｔ５，Ｔ１０が配設されている。各圧力センサの役割について詳述すると、圧力センサＰ６は燃料ガス供給源３０の燃料ガス供給圧を検出する。圧力センサＰ７は高圧レギュレータＨ９の二次圧を検出する。圧力センサＰ９は低圧レギュレータＨ１０の二次圧を検出する。圧力センサＰ６１は燃料ガス供給路３１の低圧部の圧力を検出する。圧力センサＰ５はスタック入口の圧力を検出する。圧力センサＰ１０は水素循環ポンプ６３の入力ポート側（上流側）の圧力を検出する。圧力センサＰ１１は水素循環ポンプ６３の出力ポート側（下流側）の圧力を検出する。
上述したように、本実施形態の燃料電池システム１０においては燃料電池スタック２０におけるアノード窒素濃度（燃料電池スタック２０において電解質膜を透過してカソードからアノードまで達したものをはじめとする窒素の当該アノードにおける濃度のこと）を推定することとし、これを実現するための一例として、燃料電池のスタック温度を検出するスタック温度検出手段１１と、アノード（燃料極）の圧力を検出する燃料極圧力検出手段Ｐ５と、放置時間を計測する放置時間計測手段１２と、ＥＣＵ１３とを備えた構成となっている（図１参照）。以下、アノード窒素濃度を推定するための構成の詳細およびこれによるアノード窒素濃度推定手法について説明する（図１等参照）。なお、アノード窒素濃度は、アノードをガスが流れていない状態、即ち燃料電池１０が運転停止している間に高くなりやすい。このため、燃料電池スタック２０の出力制限は起動時に行うことが好ましい。
スタック温度検出手段１１は燃料電池のスタック温度、つまり燃料電池スタック２０の温度を検出するための手段で、温度を測定する部分と当該測定した温度に関する情報を送信するための部分とで構成されている。例えば本実施形態におけるスタック温度検出手段１１は、燃料電池スタック２０の温度を検出し、検出した温度に関するデータをＥＣＵ１３に送信するように設けられている（図１参照）。
放置時間計測手段１２は、燃料電池スタック２０の放置時間、すなわち燃料電池の運転が停止してから再起動されるまでの時間を計測するための手段であり、例えばタイマによって構成されている。本実施形態の放置時間計測手段１２はＥＣＵ１３に接続されており（図１参照）、このＥＣＵ１３からの指令信号を受けて放置時間の計測を開始し、さらにＥＣＵ１３からの指令信号を受けて計測を終了するように設けられている。なお、本実施形態における放置時間計測手段１２は、停止状態の燃料電池スタック２０に対してイグニッションスイッチが入れられてイグニッション・オンとなった状態から当該燃料電池スタック２０が起動されるまでの時間（イグニッション・オン継続時間）を計測することができるようになっている。
燃料極圧力検出手段Ｐ５は燃料極（アノード）における圧力を検出するためのもので例えば圧力計によって構成されている。本実施形態では、この燃料極圧力検出手段Ｐ５を燃料ガス供給路３１の低圧部、より具体的にはＦＣ入口バルブＨ２１と燃料電池スタック２０との間に配設している（図１参照）。また、燃料極圧力検出手段Ｐ５はさらにＥＣＵ１３と接続され、検出した圧力値に関するデータを当該ＥＣＵ１３に送信するようになっている。
ＥＣＵ１３は電子制御装置（Electric Control Unit）によって構成された制御手段である。本実施形態のＥＣＵ１３は上述したスタック温度検出手段１１、放置時間計測手段１２、燃料極圧力検出手段Ｐ５のそれぞれと接続されていて、スタック温度、放置時間、そして燃料極圧力（アノード圧力）に関するデータを取得し、これらデータに基づいてアノード窒素濃度（電解質膜を透過してカソードからアノードまで達したものなどを含む窒素の当該アノードにおける濃度）を推定する。なお、図１では特に詳しく表示していないが、このＥＣＵ１３は制御部５０とも接続されており、推定したアノード窒素濃度に応じて必要時には燃料電池スタック２０の出力が制限されるようになっている。
さらに本実施形態においては、放置時間と運転停止中におけるアノード圧力との関係を表すマップを用意しておき、このマップに基づいてアノード窒素濃度を推定することとしている。具体的には、図２に示すような実機データ、すなわち運転停止時のスタック温度が６５℃の場合におけるアノード圧力およびアノード窒素濃度の放置時間に対する推移を表したマップを用意しておき、このマップに基づいてアノード窒素濃度を推定することとしている。ちなみにマップ中の◆印はアノード窒素濃度（cnc N2、単位は％）、×印はアノード圧力（prs fci、単位はkPaA）をそれぞれ示している。図示するように、×印で示すアノード圧力の値（prs fci）は、燃料電池の運転を停止するといったん急激に低下し、経過時間Ｔ１の時点で最低値つまり負圧のピーク（図２の実機データの場合であればおよそ８０強kPaA）に達した後は徐々に増加していくという変化を見せている（なお、ここでいう負圧は大気圧を基準としたもの）。一方、◆印で示すアノード窒素濃度（cnc N2）は途中まで増加し続け、その後なだらかになって収束していくという変化を見せている。
ここで、例えばある圧力ｐ（図２参照）を基準としてこの圧力ｐに相当する放置時間には、図から明らかなようにＴｏ，Ｔ２という２通りの時間（つまり相異なる２通りの放置時間）がある。この場合、アノード圧力が負圧のピークに達する時間Ｔ１よりも前の時間（図２であればＴｏ）におけるアノード窒素濃度（cnc N2）を推定値とすると、この値は増加途中にあってまだ少ない段階の値であることから誤差を招いてしまい適切な制御が行えなくなる。この場合、このような誤差が生じるのを抑制する手段の一つとして、アノード圧力が最低値（負圧のピーク）に達する時間Ｔ１よりも後の時点（本実施形態の場合であれば経過時間Ｔ２）のアノード窒素濃度（cnc N2）を推定値にするという手段を講じうるが、本実施形態ではこれとは異なる手段を講じることとしている。すなわち、放置時間をも計測することとした本実施形態の場合には、実機データからなるマップ（図２）に照らせば、放置時間計測手段１２によって計測された放置時間が時間Ｔ１（負圧のピークとなる時間）の以前なのかあるいは以後なのかの判別が容易であることから、このような判別を行ってからアノード窒素濃度の推定値を求めることとしている。こうした場合には、Ｔ１以前の状態、つまりアノード窒素濃度が十分に増加する前の段階のいわば低窒素濃度の状態にときに推定値を求めるようなことがなくなるため、誤差を招くようなこともなくなる。例えば、十分に増加する前のアノード窒素濃度を推定値としてしまうと燃料電池に対して無駄な出力制限をかけてしまうことになるが、上述のようにアノード窒素濃度の推定をより正確に行えるようにした本実施形態の場合にはこのように無駄な出力制限をかけてしまうようなこともない。このため、燃料電池を短時間放置した後に再起動する場合におけるアノード窒素濃度の誤推定を抑制し、燃料電池スタックの出力をより適切に制限することが可能となり、ひいては短時間放置後の加速性能悪化を改善することが可能となる。
引き続いて、チャートを参照しつつ本実施形態におけるアノード窒素濃度の推定のフローを以下に説明する（図３参照）。
まず、本実施形態におけるアノード窒素濃度の推定フローは、イグニッションのオフにより燃料電池の運転が停止する（IG OFF）ことによって開始する（ステップ１）。燃料電池が停止したら、停止時における燃料電池スタックの温度（thm fc igoff）をスタック温度検出手段１１により検出し、当該温度をＥＣＵ１３に記憶する（ステップ２）。さらに、放置時間（t leave）の計測を開始する（ステップ３）。また、イグニッションスイッチがオンとなったら（ステップ４として示すIG ONの状態）、IG ON計測時間（t igon）、イグニッションスイッチがオンとなってから燃料電池スタック２０が起動するまでの時間の計測を開始する（ステップ５）。
次に、停止していた燃料電池が再起動されたら（ステップ６に示すST ON）、水素加圧前におけるアノード圧力（prsH2 fc b）を検出する（ステップ７）。そうしたら、合計放置時間ＴＲ、すなわち上述の「放置時間（t leave）」と「IG ON継続時間（t igon）」との合計時間（ＴＲ＝t leave ＋ t igon）を算出する（ステップ８）。
そうしたら、このように算出した結果に基づき、当該合計放置時間ＴＲが放置時間Ｔ１よりも長いのか短いのか、別の表現をすれば、燃料電池スタック２０を再起動したタイミングが、アノード圧力が負圧のピークを迎える前なのかそれともピークを迎えた後なのかを判断する。要するに、ここでは合計放置時間ＴＲと放置時間Ｔ１との大小を判断し（ステップ９）、合計放置時間ＴＲよりも放置時間Ｔ１の方が大きければ（ＴＲ＜Ｔ１）、再起動したのはアノード圧力が負圧のピークになるよりも前であると判断してステップ１０へと進む。このステップ１０では、水素加圧前のアノード窒素濃度を表すマップを参照し、水素加圧前のアノード窒素濃度（cncN2 tmp）を算出する（ステップ１０）。
なお、ここで参照するマップは例えば上述したような実機データそのものからなるマップ（図２参照）とすることもできるが、あらかじめ第１の窒素状態（例えば低窒素濃度状態）の場合に適用する第１のマップと、これよりも高濃度である第２の窒素状態の場合に適用する第２のマップとに分けておくことも好ましい。例えば本実施形態では、低窒素濃度状態を表す第１のマップとしての水素加圧前アノード窒素濃度マップＡ（図２の時間ｔ＝０〜ｔ（＝Ｔ１）の間に変化する曲線）と、これよりも高濃度である高窒素濃度状態を表す第２のマップとしての水素加圧前アノード窒素濃度マップＢ（図２の時間ｔ＝Ｔ１以降に変化する曲線）とに分けている。したがって、上述のようにＴＲ＜Ｔ１である場合は、負圧のピークを迎える前に燃料電池スタック２０を再起動したということなので、低窒素濃度状態を表すマップＡを参照してアノード窒素濃度を算出することになる（ステップ１０）。このようにして水素加圧前のアノード窒素濃度（cncN2 tmp）を算出したら、ステップ１２へと進む。
一方、ステップ９において合計放置時間ＴＲと放置時間Ｔ１との大小を判断した結果、上述の場合とは逆、つまり合計放置時間ＴＲよりも放置時間Ｔ１の方が小さければ（ＴＲ＞Ｔ１）、アノード圧力が負圧のピークを迎えた後に再起動したと判断してステップ１１へと進む。ステップ１１では、水素加圧前のアノード窒素濃度（cncN2 tmp）を算出するという点においては上述のステップ１０と同様だが、このステップ１１においてはマップＡではなくマップＢを参照する。水素加圧前のアノード窒素濃度（cncN2 tmp）を算出したら、ステップ１２へと進む。
次に、ステップ１２においては、水素加圧後のアノード圧力（prsH2 fc a）を検出する（ステップ１２）。そうしたら、水素加圧後のアノード窒素濃度（cncN2）を算出する（ステップ１３）。図３に示しているように、この水素加圧後アノード窒素濃度（cncN2）は、
cncN2 ＝ cncN2 tmp ＊ prsH2 fc b ／ prsH2 fc a
という式、つまり、水素加圧前のアノード窒素濃度（cncN2 tmp）と水素加圧後のアノード圧力（prsH2 fc b）とを乗じ、これを水素加圧後のアノード圧力（prsH2 fc a）で除した値として求めることができる。これにより、アノードパージ処理による窒素濃度減算を行い（ステップ１４）、これによって一連の処理を終了する（ステップ１５）。あとは、このようにして得られたアノード窒素濃度の推定結果（あるいは算出結果）に基づいて燃料電池スタック２０の出力制限を適切に行うこととなり、これによれば、アノードの不純物濃度が高い状態での過度な発電を抑制することが可能となる。
また、上述のごとくアノード窒素濃度を推定する場合において、放置時間の計測中、放置時間計測手段よる計測時間がクリアされた場合にはアノード窒素濃度を最大値にするという手法を採ることも好ましい。放置時間計測手段１２による時間計測中、何らかの要因（一例として、補機バッテリーを外したような場合）によりそれまでの計測時間がリセットされて０にクリアされたとすると、放置時間計測手段１２によって得られた放置時間が本来の値よりも短くなってしまい、この結果、本来推定されるべきアノード窒素濃度の真値よりも低い値が推定され、水素欠乏による発電不良が引き起こされるおそれがある。これに対し、このような場合にアノード窒素濃度を最大値だと擬制することとすれば、少なくとも上記のように水素欠乏による発電不良が引き起こされるのを回避することが可能となる。この場合における擬制値は種々の値たり得るが、本実施形態においては、アノード窒素濃度の値がほぼ収束して最大値となるおよそ８０％弱の値とする。また、燃料電池スタック２０が放置状態であるにもかかわらず放置時間計測手段１２がリセットされたことは、例えば上述したＥＣＵ１３によって検出ないしは判別することができる。
さらには、燃料電池の運転停止時におけるアノード窒素濃度を記憶する手段を備えておき、運転停止時の当該アノード窒素濃度と次回起動時（再起動時）のアノード窒素濃度（推定値）のうち、大きい方の値を採用することも好ましい。例えば、アノード窒素濃度が高い状態で燃料電池をいったん停止し、その直後に再起動すると、アノード窒素濃度がまだそれほど低下していないにもかかわらず、真値よりも低く推定してしまい上述の場合と同様に水素欠乏による発電不良が引き起こされるおそれがある。これに対し、運転停止時におけるアノード窒素濃度を記憶しておき、当該記憶値と推定値とを比較して高い方を選択・採用することとすれば、少なくとも上記のように水素欠乏による発電不良が引き起こされるのを回避することが可能となる。本実施形態においては、ＥＣＵ１３によって運転停止時のアノード窒素濃度を記憶しておき、尚かつ必要な場合にはこの記憶値と推定値とを比較することとしている。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック２０におけるアノード窒素濃度（燃料極窒素濃度）をより正確に推定し、これによってアノードの不純物濃度増大時の運転による寿命低下を従来よりも抑制することが可能となる。
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態においては上述したようにアノード圧力（燃料電池スタック２０の燃料極における圧力）のマップに基づいてアノード窒素濃度を推定することとしたが、これ以外の要素に基づいてもアノード窒素濃度を推定することは可能であり、例えば、アノード圧力の変化率（一例として、圧力増加に伴う勾配または圧力減少に伴う勾配）に基づいて判断することも可能である。すなわち、図２のマップに示す停止時の圧力変化特性において、ｔ＝Ｔ１以前は圧力勾配が減少する傾向を示され、その一方、ｔ＝Ｔ１以降は圧力勾配が増加する傾向が示されていることからすれば、圧力勾配が減少から増加へと移る時点でマップを切り換え、窒素濃度を推定することも可能である。
また、本実施形態で例示したマップは運転停止時のスタック温度が６５℃における場合のものを一例として示したに過ぎず、燃料電池自体あるいは燃料電池システムが異なれば当該燃料電池あるいは燃料電池システムに応じて異なるスタック温度におけるマップを用いるべきであることはいうまでもない。
本発明にかかる燃料電池システムの一実施形態を示す燃料電池システムのブロック図である。 運転停止時のスタック温度が６５℃の場合におけるアノード圧力およびアノード窒素濃度の放置時間に対する推移を表すマップである。 本実施形態におけるアノード窒素濃度の推定のフローを示すチャートである。
符号の説明
１…燃料電池スタック、１０…燃料電池システム、２０…燃料電池スタック、１１…スタック温度検出手段、１２…放置時間計測手段、１３…ＥＣＵ（判別手段、記憶手段）、Ｐ５…燃料極圧力検出手段

Claims (4)

  1. 燃料電池の燃料極における窒素の濃度を表す燃料極窒素濃度を、運転停止時における燃料電池スタックの温度と、燃料電池の再起動時における前記燃料極の圧力と、前記燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間と、に基づき推定することを特徴とする燃料電池システムであって、
    前記燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段と、
    前記燃料極の圧力を検出する燃料極圧力検出手段と、
    前記放置時間を計測する放置時間計測手段と、
    前記燃料極窒素濃度を推定する燃料極窒素濃度推定手段と、
    を備え、
    前記燃料極窒素濃度推定手段は、前記燃料電池の再起動時、前記スタック温度検出手段によって検出された運転停止時における燃料電池スタックの温度に基づく、当該温度に対応した該燃料電池スタックの放置時間に対する前記燃料極の圧力および前記燃料極窒素濃度の推移を表すマップを用い、前記燃料極圧力検出手段によって検出された前記燃料電池の再起動時における前記燃料極の圧力と、前記放置時間計測手段によって計測された前記放置時間と、に基づき前記燃料極窒素濃度を推定する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料極窒素濃度推定手段は、前記マップとして、前記燃料極窒素濃度が第１の濃度状態にある場合の当該燃料極窒素濃度の推移を表す第１マップと、前記燃料極窒素濃度が前記第１の濃度状態よりも高濃度の状態にある場合の当該燃料極窒素濃度の推移を表す第２マップとを用い、計測された前記放置時間が、前記燃料極の圧力が最低値となるまでの時間よりも短い場合には前記第１マップを用いる一方、計測された前記放置時間が、前記燃料極の圧力が最低値となるまでの時間よりも長い場合には前記第２マップを用いて前記燃料極窒素濃度を推定す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. 前記放置時間の計測中、前記放置時間計測手段よる計測時間がクリアされたかどうかを判別するための判別手段を備え、
    前記燃料極窒素濃度推定手段は、前記計測時間がクリアされたと判別した場合には前記燃料極窒素濃度を前記マップ中における最大値に擬制することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池の運転停止時における前記燃料極窒素濃度を記憶するための記憶手段を備え、
    前記燃料極窒素濃度推定手段は、運転停止時の前記燃料極窒素濃度の記憶値と再起動時の燃料極窒素濃度の推定値のうち大きい方の値を採用することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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