JP5077836B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に、運転中の燃料電池の含水量の制御に関するものである。
燃料電池システムでは、水素ガスに代表される燃料ガス、及び空気に代表される酸化ガスが燃料電池に供給される。燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの発電反応により、電力を発生し、空気極側に水を生成する。固体高分子型燃料電池では、燃料ガスと酸化ガスとの反応におけるプロトンの伝導を電解質膜が担うため、発電反応を効率よく維持するには、電解質膜の水分状態を監視して適正な状態に制御する必要がある。
固体高分子型燃料電池は、およそ６０℃〜８０℃で運転される。しかし、燃料電池は氷点下の環境で用いられる場合もある。氷点下の環境に運転停止状態の燃料電池が放置されると、次のシステム起動までの間に燃料電池内の水分（生成水又は水蒸気）が凍結し、次回システム起動が良好に行われなかったり、あるいは時間がかかったりするおそれがある。
特許文献１には、運転停止後の燃料電池の凍結を抑制するための方法が開示されている。この方法では、運転停止条件が成立したとき、燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止し、燃料電池から取り出す出力電流を停止する。その停止後に、乾燥した燃料ガス及び乾燥した酸化ガス（以下、「乾燥ガス」という。）を燃料電池に供給して、燃料電池から比較的小さい出力電流を取り出し、その後、乾燥ガスの供給を停止して燃料電池の運転を停止する。
特開２００４−１１１１９６号公報
しかし、このような凍結抑制方法では、燃料電池から出力電流を取り出すのを一旦やめた後、再度取り出すようにしており、燃料電池システムが最終的に停止するまでに長い時間を要してしまう。
本発明は、燃料電池システムが停止するまでの時間の短縮と燃料電池の凍結の抑制とを図ることができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。
上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、当該燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、システム停止指令の前に、前記燃料電池の運転中のインピーダンスを測定し、その測定したインピーダンスの大きさから当該燃料電池の通常運転を継続させるかあるいは当該燃料電池内が前記通常運転よりも乾燥気味となる乾燥運転を実行するかを決定し、前記システム停止指令の前に、当該乾燥運転を実行することに決定してその運転を行っているときに前記燃料電池の要求出力が当該乾燥運転では満たすことができなくなった場合には、前記燃料電池を前記乾燥運転から湿潤状態での運転に切り替える。
この構成によれば、システム停止指令前に乾燥運転を実行した場合には、システム停止指令前において燃料電池の含水量を予め減らしておくことができる。これにより、燃料電池システムの停止指令後に燃料電池内の水分を減らす処理を行わなくても、燃料電池の凍結を抑制し得るし、そのような処理を行ったとしても、その処理に要する時間が短くて済むので燃料電池システムが停止するまでの時間を短縮できる。一方、システム停止指令前に乾燥運転を行っているときに燃料電池の要求出力が当該乾燥運転では満たすことができなくなった場合には、燃料電池を湿潤状態での運転に切り替えるので、燃料電池システムの要求電力を確保できる。特に、乾燥運転が燃料電池の出力を制限した状態で行われている場合に、本発明は有用である。
上記目的を達成するための本発明の別の燃料電池システムは、燃料電池と、当該燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、システム停止指令の前に、前記燃料電池の運転中のインピーダンスを測定し、その測定したインピーダンスの大きさから当該燃料電池の通常運転を継続させるかあるいは当該燃料電池内が前記通常運転よりも乾燥気味となる乾燥運転を実行するかを決定し、前記システム停止指令の前に、当該乾燥運転を実行することに決定してその運転を行っているときに燃料電池システムを搭載した移動体が当該燃料電池システムによって移動しているときの移動速度が比較的高速の所定値以上となった場合には、燃料電池を乾燥運転から湿潤状態での運転に切り替える。
こうすることで、移動体の駆動力を確保でき、要求される移動体の移動速度を満たすことが可能となる。なお、「移動速度が所定値以上となった場合」とは、例えば、移動体の減速中に、燃料電池を乾燥状態に復帰できる速度以上となった場合である。
本発明の好ましい一態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池に酸化ガスを供給する供給機を更に備え、制御装置は、インピーダンスを測定する測定部を備えるとよい。そして、制御装置は、測定されたインピーダンスに基づいて乾燥状態のための燃料電池における水収支の目標値を決定し、この目標値から、燃料電池への酸化ガスの目標供給量を決定するとよい。その際、制御装置は、測定されたインピーダンスに基づいて燃料電池の現在の含水量を推定し、この推定された含水量に基づいて酸化ガスの目標供給量を補正し、その補正された供給量となるように供給機を制御するとよい。
本発明の別の好ましい一態様によれば、制御装置は、インピーダンスを測定する測定部と、燃料電池における水収支を計算する計算部と、を備えるとよい。そして、制御装置は、測定部がインピーダンスを測定できないときに、計算部により計算された水収支と、前記測定部が最も直近に測定できたインピーダンスから推定した前記燃料電池の含水量とを用いて燃料電池の含水量を推定するとよい。
こうすることで、インピーダンスを測定できなくとも、水収支等を用いた燃料電池の含水量の推定の正確性を向上できる。
本発明の更に別の好ましい一態様によれば、制御装置は、インピーダンスを測定できないとき、燃料電池の乾燥運転を禁止してもよい。
こうすることで、燃料電池が湿潤状態であるのか、乾燥状態であるのか不明な状態で、燃料電池を乾燥状態になるように制御してこれを過剰に乾燥させてしまうのを抑制することができる。
好ましくは、燃料電池システムは、インピーダンスの測定間隔を計測するタイマーを更に備え、制御装置は、タイマーが計測した測定間隔の時間が、インピーダンスを正常に測定可能な時間間隔として設定されるが閾値を越えるとき、燃料電池の乾燥運転を禁止するとよい。
こうすることで、測定間隔が閾値を越えないときには、インピーダンスを正常に測定できるとして、その測定値に基づいて燃料電池を乾燥運転させることができる一方、測定間隔が閾値を越えるときには、インピーダンスを正常に測定できないとして、燃料電池の乾燥運転を禁止できる。このようなタイマー管理により、燃料電池の過剰な乾燥を抑制することができる。
好ましくは、制御装置は、インピーダンスを測定できないとき、燃料電池を乾燥運転から通常運転に切り替えるとよい。
こうすることで、乾燥運転を回避して、燃料電池の含水量状態を通常に戻すことができる。
ここで、燃料電池の運転状態を乾燥状態又は湿潤状態とするには、様々な方法がある。例えば、燃料電池の発電量の制限、温度の上昇、又は冷媒による冷却量の減少により、燃料電池を乾燥状態にできる。また、酸化ガスの流量、圧力、温度あるいは露点温度、又は、燃料ガスの流量、圧力、パージ頻度あるいは露点温度を変更することで、燃料電池の運転状態を乾燥状態にしたり、湿潤状態にしたりできる。
上記した本発明の燃料電池システムによれば、停止するまでの時間を短縮できると共に燃料電池の凍結を抑制できる。
本発明の燃料電池システムの構成図である。 本発明の燃料電池システムの含水量制御の第１の制御例を示すフローチャートである。 本発明の燃料電池システムの含水量制御の第２の制御例を示すフローチャートである。 本発明の燃料電池システムの含水量制御の第３の制御例を示すフローチャートである。 本発明の燃料電池システムの含水量制御の第４の制御例を示すフローチャートである。 本発明の燃料電池システムの含水量制御の第５の制御例を示すブロック図である。 第５の制御例で用いる水収支目標マップであり、燃料電池のインピーダンスと燃料電池の空気極側における水収支の目標値との関係を示すものである。 第５の制御例で用いるエア流量目標マップであり、目標エア流量、ＦＣ電流及び水収支の関係を示すものである。 第５の制御例で用いる含水量推定マップであり、燃料電池のインピーダンスと燃料電池の含水量との関係を示すものである。 本発明の燃料電池システムの含水量制御の第６の制御例を示すブロック図である。 本発明の燃料電池システムの含水量制御の第７の制御例を示すブロック図である。 第７の制御例で用いる水収支目標マップであり、燃料電池のインピーダンスと燃料電池の空気極側における水収支の目標値との関係を示すものである。 第７の制御例で用いるエア背圧目標マップであり、目標エア背圧、ＦＣ電流及び水収支の関係を示すものである。 含水量制御の第８の制御例に係る本発明の燃料電池システムの構成図である。 本発明の燃料電池システムの含水量制御の第８の制御例を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係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、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両１００に搭載できる。ただし、燃料電池システム１は、車両１００以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源にも適用可能である。
燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給する冷媒配管系５と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム１の運転を統括制御する制御装置７と、を備える。酸化ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称できる。
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の運転時の温度は、およそ６０〜８０℃となる。
酸化ガス配管系３は、供給路１１及び排出路１２を備える。供給路１１には、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる。排出路１２には、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる。酸化オフガスは、燃料電池２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となっている。
供給路１１には、コンプレッサ１４及び加湿器１５が設けられる。コンプレッサ１４は、エアクリーナ１３を介して外気を取り込んで、燃料電池２に圧送する供給機である。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。背圧調整弁１６は、燃料電池２の空気極側の背圧を調整する。背圧調整弁１６は、排出路１２の空気極出口付近に配設され、その近傍には、排出路１２内の圧力を検出する圧力センサＰ１が設けられる。酸化オフガスは、背圧調整弁１６及び加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有する。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。パージ路２５には、水素オフガスを水素希釈器（図示省略）に排出するためのパージ弁３３が設けられる。
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有する。冷媒流路４１は、燃料電池２の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ４６と、燃料電池２の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ４７と、を有する。
冷却ポンプ４２は、モータ駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。温度センサ４７が検出する冷媒温度は、燃料電池２の内部温度、つまりセル内温度（以下、「ＦＣ温度」という。）を反映する。ただし、別途、温度センサを設けることで、燃料電池２の温度を直接検出してもよい。切替え弁４５は、例えばロータリーバルブで構成される。
電力系６は、高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結される。補機インバータ６５、６６及び６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、ポンプ２４及び冷却ポンプ４２のモータの駆動を制御する。
制御装置７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、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、燃料電池２の含水量制御など、種々の処理や制御を行う。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。
制御装置７は、各種の圧力センサ（Ｐ１）、温度センサ（４６，４７）、電圧センサ、電流センサ、アクセル開度センサ、外気温センサ７１、及び速度センサ７５などの各種センサからの検出信号を入力する。アクセル開度センサは、車両１００のアクセル開度を検出する。外気温センサ７１は、燃料電池システム１がおかれる環境の外気温を検出する。速度センサ７５は、車両１００の走行速度（移動速度）を検出する。制御装置７は、これらセンサからの検出信号の入力を受けて、燃料電池システム１の各構成要素に制御信号を出力する。
制御装置７は、燃料電池２の含水量の制御を実現するための機能ブロックとして、記憶部１２１、インピーダンス測定部１２２、水収支計算部１２３及び運転制御部１２５を備える。記憶部１２１は、燃料電池２の含水量の制御を実現するための各種のプログラム、後述する各種のマップを記憶する。なお、各種のマップは、実験的に又はシミュレーションにより事前に得られたものである。
インピーダンス測定部１２２は、例えば交流インピーダンス法により、燃料電池２の現在のインピーダンスを測定する。燃料電池２のインピーダンスを測定することにより、燃料電池２の含水量を推定することができる。つまり、インピーダンス測定部１２２の測定結果に基づいて、燃料電池２が乾燥状態となっているのか、湿潤状態となっているのかを把握することができる。インピーダンス測定部１２２は、公知の方法によって、重畳された正弦波信号に基づいて燃料電池２のインピーダンスを測定する。
水収支計算部１２３は、燃料電池２の水収支Ｗを計算する。水収支Ｗは、燃料電池２への流入水分量Ｗｘ、燃料電池２の排出水分量Ｗｙ、及び燃料電池２における生成水分量Ｗｚから計算することができる。これらの関係式は、以下のとおりに表現できる。
Ｗ＝Ｗｘ−Ｗｙ＋Ｗｚ
水収支Ｗは、燃料電池２全体の水収支、燃料電池２の空気極側の水収支又は燃料電池２の燃料極側の水収支であり、好ましくは、燃料電池２全体の水収支又は燃料電池２の空気極側の水収支である。
例えば、燃料電池全体２の水収支に関しては、流入水分量Ｗｘは、燃料電池２に供給される酸化ガス及び燃料ガスに含まれる水分量であり、反応ガスの供給流量、供給圧力、及び湿度により計算できる。また、排出水分量Ｗｙは、燃料電池２から排出される酸化ガス及び燃料ガスに含まれる水分量であり、反応ガスの排出流量、背圧、及び湿度により計算できる。生成水分量Ｗｚは、燃料電池２の発電によって生成される水分量であり、相関関係にある燃料電池２の発電量（電圧、電流）により計算できる。
運転制御部１２５は、インピーダンス測定部１２２及び水収支計算部１２３等の結果に基づいて、燃料電池２の運転を制御する。より詳細には、運転制御部１２５は、各種構成機器（コンプレッサ１４、背圧調製弁１６、ポンプ２４、パージ弁３３、冷却ポンプ４２、切替え弁４５、ラジエータ４３用の冷却ファン、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１など）に制御指令を送信し、所望の運転状態となるように燃料電池２の運転を制御する。
次に、制御装置７による燃料電池２の含水量制御に関し、複数の例を説明する。
＜第１の制御例＞
図２に示すように、先ず、燃料電池システム１は燃料電池２の通常運転を実行している（ステップＳ１）。ここで、通常運転では、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を１．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池２が運転（発電）される。エアストイキ比とは酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す。
次いで、通常運転中には、燃料電池２のインピーダンスがインピーダンス測定部１２２によって測定される（ステップＳ２）。この測定されたインピーダンスによって、運転中の燃料電池２の状態量として、燃料電池２の現在の含水量が推定される。この推定は、例えば、インピーダンスと含水量との相関関係を示すマップを用いて行われる。なお、このマップは、記憶部１２１に記憶される。そして、推定された含水量に応じて、燃料電池２を乾燥状態にて運転させるか否かが判断される（ステップＳ３）。燃料電池２を乾燥させる必要が無い場合には（ステップＳ３；Ｎｏ）、処理を抜け、燃料電池２の通常運転が継続される。一方、燃料電池２を乾燥させる必要がある場合には（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、運転制御部１２５によって乾燥運転が実行される（ステップＳ４）。
ここで、乾燥運転とは、各種パラメータにより設定される要求出力を燃料電池２が出力しながら、燃料電池２内を乾燥気味に運転することをいい、換言すれば、通常運転に比して燃料電池２の含水量を減少させる運転をいう。乾燥運転は、燃料電池２内（電解質膜や、拡散層、流路）の湿度を必ずしも０％にする必要はなく、水分を低減できさえすればよい。乾燥運転を実行すれば、通常運転に比べて、例えば電解質膜が乾燥気味になる。乾燥運転は、通常運転時に用いる制御パラメータの値とは異なる値を用いることで、各種の方法で実行できる。
具体的には、第１の例では、乾燥運転は、通常運転に比してＦＣ温度を上昇することで実行される。これは、例えば燃料電池２の自己発熱又は冷却量の減少により実現できる。燃料電池２の自己発熱は、例えば低効率運転を行うことで実行できる。燃料電池２の冷却量の減少は、燃料電池２を発電させた状態で、冷却ポンプ４２の回転数及び／又はラジエータ４３用の冷却ファンの回転数を制御してラジエータ４３による冷却量を抑制したり、あるいは切り替え弁４５をバイパス流路４４側に切り替えたりすることで実現できる。このような乾燥運転を行うことで、燃料電池２内に滞留している水分の蒸発を促進でき、その蒸発した水分を酸化オフガス又は燃料オフガスで持ち去ることができる。
第２の例では、乾燥運転は、通常運転に比して、酸化ガスの流量、圧力、温度及び露点温度の少なくとも一つを変更することで実行される。具体的には、コンプレッサ１４の回転数を上げることで酸化ガスの供給流量を増加すること、背圧調整弁１６の開度を調整して酸化ガスの供給圧を下げること、図示省略した外部のヒータにより酸化ガスの温度を上昇させること、又は、露点温度を下げること、により乾燥運転が行われる。なお、乾燥運転では、加湿器１５をバイパスして酸化ガスを燃料電池２に供給するようにしてもよいし、加湿器での酸化ガスの加湿量を減らすようにコントロールしてもよい。
第３の例では、乾燥運転は、通常運転に比して、燃料ガスの流量、圧力、パージ頻度及び露点温度の少なくとも一つを変更することで実行される。具体的には、ポンプ２４及び／又は図示省略したインジェクターを調整することで燃料ガスの流量を増加すること、レギュレータ２８又はインジェクターを調整することで燃料ガスの供給圧力を下げること、パージ弁３３のパージ頻度を増やすこと、又は、露点温度を下げること、により乾燥運転が行われる。
なお、上記の第１〜第３の例を適宜組み合わせて乾燥運転を実行してもよいが、第３の例よりも第２の例の方が効果的に燃料電池２を乾燥させることができる。燃料ガス配管系４は、循環系統を含むものである分、酸化ガス配管系３に比べて、制御パラータの変更による応答性が低いからである。特に応答性が高い方法として、酸化ガスの供給流量を増加する方法を用いることが好ましい。
以上のような乾燥運転がステップＳ４で実行され、燃料電池２の含水量が通常運転時よりも低減される。その後、ユーザー（運転手）によるシステム停止指令の有無が判断される（ステップＳ５）。システム停止指令とは、燃料電池システム１の運転を停止する指令をいう。例えば、乾燥運転のために制御パラメータを変更した後、所定時間内にシステム停止指令がない場合には（ステップＳ５；Ｎｏ）、再びインピーダンス測定（ステップＳ２）が実行され、フィードバック制御が行われる。一方、システム停止指令が発せられた場合には（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、それがトリガとなって乾燥運転から掃気運転に切り替えられる（ステップＳ６）。
ここで、掃気運転とは、燃料電池システム２の運転終了時（システム停止時）に、燃料電池２内の水分を完全に又は略完全に外部に排出することで燃料電池２内を掃気することをいう。掃気運転は、例えば、燃料電池２をアイドル運転とした状態で又は燃料電池２への水素ガスの供給を停止した状態で、コンプレッサ１４によって酸化ガスを酸化ガス流路２ａに供給し、燃料電池２に残る水分を酸化ガスで持ち去ることで行われる。これにより、燃料電池２の電解質膜や電極は乾燥した状態となる。その後、燃料電池システム１は、停止して次の起動にそなえることになる。
以上説明したように、第１の制御例によれば、燃料電池２の運転中の状態量である含水量に応じて、燃料電池２を乾燥状態にて運転させるので、システム停止指令の前に予め含水量を減らしておくことができる。これにより、システム停止指令後に燃料電池２を短時間で掃気（乾燥）させることができ、燃料電池システム１が停止するまでの時間を短縮できる上、燃料電池２の乾燥に要する電力を節約できる。また、システム停止指令後の燃料電池２の凍結を抑制でき、次回のシステム起動時が氷点下であったとしても、燃料電池２を安定して始動させることができる。さらに、燃料電池２の運転中の状態量に応じて乾燥状態にて運転させるので、燃料電池２の状態に即した運転が可能となる。
なお、車両１００の使用環境又は使用時期によって、燃料電池２を通常運転から乾燥運転に切り替えるか否かを決めておいてもよい。例えば、燃料電池２の凍結が起きない地域や時期では、システム停止指令の前に燃料電池２を一律に乾燥運転しなくてもよい。一例を挙げると、冬季のときには、燃料電池２の含水量制御として図２に示すフローを実行する一方、それ以外の夏季等のときには、図２に示すフローを実行せず、燃料電池２を乾燥運転させることなく燃料電池システム１を終了させることもできる。別の例を挙げると、外気温センサ７１が検出した温度が例えば０℃以下の場合には、燃料電池２の含水量制御として図２に示すフローを実行し、その検出温度が０℃を超える場合には、図２に示すフローを実行しなくてもよい。
＜第２の制御例＞
次に、第２の制御例について、図３を参照して説明する。第１の制御例との相違点は、ステップＳ１４及びＳ１５を追加したことである。なお、ステップＳ１１〜１３及び１６〜１８は、図２のステップＳ１〜６と同じであるので、ここでは説明を省略する。
ステップＳ１４において、制御装置７は、ステップＳ１２によるインピーダンス測定値がインピーダンス目標値から大きく乖離しているか否かを判断する。ここで、インピーダンス目標値とは、燃料電池２を乾燥状態にて運転させるための目標値であり、記憶部１２１に記憶されている。
インピーダンス測定値とインピーダンス目標値との差が閾値以上である場合（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、燃料電池２の乾燥度合いが段階的に上げられながら乾燥運転が実行される（ステップＳ１５）。例えば、酸化ガスの供給流量がその目標値まで段階的に増大される。一方で、インピーダンス測定値とインピーダンス目標値との差が閾値未満であれば（ステップＳ１４；Ｎｏ）、第１の制御例と同様に、乾燥度合いを変化させることなく乾燥運転が実行される（ステップＳ１６）。
以上説明したように、第２の制御例によれば、第１の制御例による作用・効果に加え、必要に応じて乾燥度合いを変えて乾燥運転を実行することができる。上記のように乾燥度合いを徐々に上げながら乾燥運転を実行することで、燃料電池２のインピーダンスを迅速に目標値に近づけることができる。また、乾燥度合いを上げるほど音や燃費などの背反が大きいが、段階的に制御することで背反を小さくすることができる。
＜第３の制御例＞
次に、第３の制御例について、図４を参照して説明する。第１の制御例との相違点は、乾燥状態での運転による背反を状況に即して解消しようとするものである。そのため、第３の制御例では、第１の制御例に加えて、要求出力の判断（ステップＳ２５）及び湿潤制御（ステップＳ２６）が追加される。なお、ステップＳ２１〜２４及び２７〜２８は、図２のステップＳ１〜６と同じであるので、ここでは説明を省略する。
乾燥運転の実行中に（ステップＳ２４）、制御装置７は、燃料電池２の要求出力が閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２５）。「閾値」は、例えば、燃料電池２の最大出力の半分に設定したり、車両１００が時速６０ｋｍで走行可能な出力に設定することができる。なお、判断の基準を燃料電池２の要求出力に設定したが、代わりに、燃料電池２の要求出力の増加率、アクセル開度、又は燃料電池システム１の全体の要求出力を判断の基準にすることもできる。
燃料電池２の要求出力が閾値未満であれば（ステップＳ２５；Ｎｏ）、乾燥運転でも燃料電池２の要求出力を満たすことができるので、乾燥運転を続行する。一方で、燃料電池２の要求出力が閾値以上であれば（ステップＳ２５；Ｙｅｓ）、乾燥運転では燃料電池２の要求出力を満たすことができない。例えば乾燥運転の実行中に車両１００が加速すると、燃料電池２の要求出力が乾燥運転における燃料電池２の発電可能出力を上回る場合がある。このような場合には（ステップＳ２５；Ｙｅｓ）、燃料電池２を乾燥状態から湿潤状態での運転に切り替える（ステップＳ２６）。
ステップＳ２６での湿潤制御とは、燃料電池２内が湿潤気味となるように運転すること、換言すれば、通常運転又は乾燥運転に比して燃料電池２の含水量を増加させる制御をいう。この湿潤制御は、上記した第２又は第３の乾燥運転の例とは逆の運転の実行によりなされる。例えば、酸化ガスの供給流量を下げたり、酸化ガスの供給圧を上げたり、あるいはＦＣ温度を下げたりして、反応ガスのオフガス（酸化オフガス又は燃料オフガス）による水分の持ち去り量を減らすようにする。その後は、改めて取得したインピーダンスに応じて、燃料電池２を乾燥状態にて運転するか否かを判断する（ステップＳ２３）。
以上説明したように、第３の制御例によれば、乾燥運転中の燃料電池２の要求出力が閾値（所定値以上）となった場合には、燃料電池２を湿潤制御する。これにより、燃料電池２の出力を早急に回復でき、燃料電池システム１の要求電力を確保できる。なお、別の実施態様では、ステップＳ２５において、燃料電池２の要求出力の増加率を閾値と比較するようにしてもよい。また、第３の制御例でも、第２の制御例と同様に、乾燥度合いの段階的制御（図３：ステップＳ１４及びステップＳ１５）をしてもよい。
＜第４の制御例＞
次に、第４の制御例について、図５を参照して説明する。第３の制御例との相違点は、要求出力の判断に代えて（ステップＳ２５）、車速の判断（ステップＳ３５）をすることで、乾燥状態での運転による背反を状況に即して解消しようとしたことである。なお、ステップＳ３１〜３４及び３６〜３８は、図４のステップＳ２１〜２４、及び２６〜２８と同じであるので、ここでは説明を省略する。
ステップＳ３５において、制御装置７は、車両１００の走行速度（つまり、車速）が閾値以上であるか否かを判断する。車両１００の走行速度は、上記の速度センサ７５によって検出される。閾値は、例えば、８０ｋｍ／ｈ、１００ｋｍ／ｈなどの比較的高速の値に設定するとよい。好ましくは、閾値は、後述するように、車両１００の減速中に、燃料電池２が乾燥状態に復帰できる時間を確保できる速度以上であればよい。
車速が閾値未満であれば（ステップＳ３５；Ｎｏ）、燃料電池２の乾燥状態での運転を続行する。これは、燃料電池２の要求出力のレベルが乾燥状態でも満たすことができるものだからである。
一方で、車速が閾値以上であれば（ステップＳ３５；Ｙｅｓ）、燃料電池２を乾燥状態から湿潤状態での運転に切り替える（ステップＳ３６）。これは、燃料電池２の要求出力のレベルが乾燥運転で発電できる燃料電池２の出力を上回る場合があるからである。また、仮に湿潤制御をしたとしても、車両１００がある程度高速走行中であれば、通常、減速して停車するのに時間がかかる。このため、その停車までの時間に、再び乾燥状態での運転に切り替え、これを実行することが可能である。したがって、車速が閾値以上であれば（ステップＳ３５；Ｙｅｓ）、燃料電池２を湿潤制御するとよい（ステップＳ３６）。
以上説明したように、第４の制御例によれば、第３の制御例と同様に、燃料電池２の出力を早急に回復でき、トラクションモータ６４の要求電力を満たすことができる。
＜第５の制御例＞
次に、第５の制御例について、図６ないし図９を参照して説明する。本制御例は、燃料電池２のインピーダンスを高めに維持する運転、すなわち乾燥状態にて運転する具体的な制御に関するものである。第５の制御例は、例えば図２のステップＳ４で行われる。
図６に示すように、制御装置７は、インピーダンス測定値ＺAに基づいて、点線の枠線２００で囲まれる演算をし、乾燥状態にて運転するのに適したエア流量指令値を決定する。ここで、インピーダンス測定値ＺAは、インピーダンス測定部１２２によって測定された値である。エア流量指令値は、コンプレッサ１４による酸化ガスの供給流量の指令値である。以下では、エア流量というときには、燃料電池２への酸化ガスの供給流量を意味する。
先ず、インピーダンス測定値ＺAは、なまし処理される。これにより、エア流量のハンチングが防止される。次いで、インピーダンス測定値ＺAは、第一ライン２０１と第二ライン２１０とに導入される。
第一ライン２０１では、先ず、水収支目標マップ２０２を用いてインピーダンス測定値ＺAから目標水収支Ｗ0が求められ、次に、エア流量目標マップ２０３を用いて目標水収支Ｗ0から目標エア流量Ｆ1が求められる。
図７は、水収支目標マップ２０２を示す図である。水収支目標マップ２０２は、燃料電池２のインピーダンスと燃料電池２の空気極側における水収支の目標値との関係を示すものであり、記憶部１２１に記憶されている。水収支目標マップ２０２の横軸の右側にいくほど目標水収支が湿潤状態（ＷＥＴ状態）となり、燃料電池２の現在の含水状態が乾燥状態であることを示している。一方で、横軸の左側にいくほど目標水収支が乾燥状態（ＤＹＲ状態）となり、燃料電池２の現在の含水状態が湿潤状態であることを示している。
図７に示す一例では、インピーダンス測定値ＺAが通常運転に好適なインピーダンス目標値Ｚ0よりも小さいものとなっており、燃料電池２は湿潤した状態にある。図７から理解できるように、インピーダンス測定値ＺAを制御線Ｌ1にあてはめることで、目標水収支Ｗ0が一義的に算出される。
図８は、エア流量目標マップ２０３を示す図である。エア流量目標マップ２０３は、目標エア流量、燃料電池２の電流（以下「ＦＣ電流」という。）及び水収支の関係を示すものであり、記憶部１２１に記憶されている。エア流量目標マップ２０３は、燃料電池２の温度と空気極側の背圧との組合せに対応して、複数が用意されている。ここでは、一例として、ＦＣ温度が７０℃で、燃料電池２の空気極側の背圧が１２０ｋＰａである場合の三つの等水収支線（水収支Ｗ0、水収支Ｗ1及び水収支Ｗ2）を示している。
本制御例において、電流センサが燃料電池２の現在の電流値Ｉ1を計測すると、その電流値Ｉ1と上記で算出した目標水収支Ｗ0との関係から、目標エア流量Ｆ1が一義的に算出される。
次に、第二ライン２１０について説明する。
第二ライン２１０では、先ず、含水量推定マップ２０５を用いてインピーダンス測定値ＺAから推定含水量Ｘ1が求められる。
図９は、含水量推定マップ２０５を示す図である。含水量推定マップ２０５は、燃料電池２のインピーダンスとその含水量との関係を示すものであり、記憶部１２１に記憶されている。インピーダンスと含水量とは、曲線Ｍ１に示すような相関関係があり、含水量推定マップ２０５は、燃料電池２の温度に対応して複数が用意されている。本制御例においては、インピーダンス測定値ＺAから燃料電池２の現在の含水量がＸ1であると推定される。
再び図６に示すように、制御装置７は、推定含水量Ｘ1を求めた後、推定含水量Ｘ1を時間で微分し（図６：２０６）、燃料電池２全体の水収支（水収支モニタ値Ｙ1）を求める。その後、水収支モニタ値Ｙ1を動作信号としてＰＩ演算し、補正エア流量Ｆ2を算出する。その後、加算器２０４にて、目標エア流量Ｆ1に補正エア流量Ｆ2を加算して、目標エア流量を補正し、補正後の目標エア流量（Ｆ1＋Ｆ2）をエア流量指令値としてコンプレッサ１４に入力する。
以上説明したように、第５の制御例によれば、燃料電池２の運転中の状態量としてインピーダンスを測定し、この測定結果に基づくエア流量指令値でコンプレッサ１４を制御するので、燃料電池２を良好に乾燥状態にて運転させることができる。したがって、上記同様に、システム停止指令後に燃料電池２を短時間で掃気（乾燥）させることができ、その掃気時間のバラツキを低減することができる。
＜第６の制御例＞
次に、第６の制御例について、図１０を参照して説明する。本制御例は、何らかの原因で、燃料電池２のインピーダンスを測定できない場合に、燃料電池２を乾燥状態にて運転する具体的な制御に関するものである。第６の制御例は、第５の制御例の代わりに行われる例外処理であり、例えば図２のステップＳ４で行われる。なお、燃料電池２のインピーダンスを測定できない場合とは、電力系６にインピーダンス計測のための正弦波信号を重畳することができないときなどである。
図１０に示すように、制御装置７は、先ず、含水量推定マップ２２１を用いて、最新インピーダンス測定値Ｚbから燃料電池２の含水量Ｘbを推定する。含水量推定マップ２２１は、図９と同様のマップであり、燃料電池２の所定温度に対応するインピーダンスと含水量との相関関係を示す曲線Ｍ２によって規定されるものである。ここで、最新インピーダンス測定値Ｚbとは、インピーダンス測定部１２２が最も直近に測定できたインピーダンスを意味する。
また、制御装置７の水収支計算部１２３が水収支計算２２２を行う。これにより、例えば、エア流量、エア背圧（空気極側の背圧）及びＦＣ電圧（燃料電池２の出力電圧）から、燃料電池２における空気極側の水収支Ｗbが計算される。次いで、加算器２２３にて、水収支Ｗbに推定含水量Ｘbが加算されて、燃料電池２の推定含水量Ｘcが算出される。その後、含水量推定マップ２２４が用いられて、推定含水量Ｘcから燃料電池２の現在のインピーダンスがＺcであることが推定される。なお、含水量推定マップ２２４は、図９と同様のマップであり、燃料電池２の所定温度に対応するインピーダンスと含水量との相関関係が曲線Ｍ３によって示されている。
その後、推定インピーダンスＺcは、図６に示す第一ライン２０１に導入される。その結果、制御装置７は、水収支目標マップ２０２を用いて推定インピーダンスＺcから目標水収支Ｗ0を求め、続いて、エア流量目標マップ２０３を用いて目標水収支Ｗ0から目標エア流量Ｆ1を求める。そして、制御装置７は、目標エア流量Ｆ1が燃料電池２に供給されるように、コンプレッサ１４を制御して、燃料電池２を乾燥状態にて運転させる。
以上説明したように、本制御例によれば、インピーダンスを測定できなくとも、水収支及び最新インピーダンス測定値Ｚbを用いることで、燃料電池２の含水量をできるだけ正確な値として推定できる。これにより、燃料電池２を乾燥状態にて運転させることができるし、フェールセーフを達成できる。
＜第７の制御例＞
次に、第７の制御例について、図１１ないし図１３を参照して説明する。本制御例は、第５の制御例とは逆に、燃料電池２のインピーダンスを低めに維持する運転、すなわち湿潤状態にて運転する具体的な制御に関するものである。第７の制御例は、例えば、図４のステップＳ２６及び図５のステップＳ３６で行われるものである。
第７の制御例では、第５の制御例における図６と同様の処理が行われる。具体的には、インピーダンス測定値ＺCは、なまし処理された後、第一ライン３０１と第二ライン３１０とに導入される。第一ライン３０１において、先ず、図１２に示す水収支目標マップ３０２が用いられて、インピーダンス測定値ＺCが制御線Ｌ1にあてはめられて、湿潤状態のための目標水収支Ｗ3が算出される。次いで、図１３に示すエア背圧目標マップ３０３が用いられて、現在のＦＣ電流Ｉ1と上目標水収支Ｗ3との関係から、目標エア背圧Ｐａが算出される。
なお、水収支目標マップ３０２は図７の水収支目標マップ２０２と同じである。一方、エア背圧目標マップ３０３は、目標エア背圧、ＦＣ電流及び水収支の関係を示すものであり、燃料電池２の温度とエア流量との組合せに対応する複数のものが記憶部１２１に記憶されている。ここでは、一例として、三つの等水収支線（水収支Ｗ3、水収支Ｗ4及び水収支Ｗ5）を示している。
第二ライン３１０においては、図９に示す含水量推定マップ２０５が用いられて、インピーダンス測定値ＺCから推定含水量Ｘ1が求められる。その後、制御装置７は、推定含水量Ｘ1を時間で微分して水収支モニタ値Ｙ1を求め、これをＰＩ演算して補正エア背圧Ｐｂを算出する。そして、加算器３０４にて、目標エア背圧Ｐａに補正エア背圧Ｐｂを加算して、目標エア背圧を補正し、補正後の目標エア背圧（Ｐａ＋Ｐｂ）をエア背圧指令値として背圧調整弁１６に入力する。
以上説明したように、第７の制御例によれば、燃料電池２のインピーダンスに基づくエア背圧指令値で背圧調整弁１６を制御するので、燃料電池２を良好に湿潤状態にて運転させることができる。なお、湿潤制御を行うのに、エア流量の減少等の他の方法を採用することもできるが、上記のようにエア背圧を調整する方が応答性が高くて、好ましい。
なお、詳述しないが、本制御例においてインピーダンスを測定できない場合には、第６の制御例（図１０）に示した方法によりインピーダンスを推定し、その推定したインピーダンスを図１１に示す第一ライン３０１に導入することで、目標エア背圧Ｐ1を求めるとよい。こうすることで、燃料電池２を湿潤状態にて運転させるためのフェールセーフを達成できる。
＜第８の制御例＞
次に、第８の制御例について、図１４及び図１５を参照して説明する。本制御例は、燃料電池２のインピーダンスを測定できない場合に、燃料電池２を乾燥状態にて運転するのを禁止する制御に関するものである。第８の制御例は、上記した第５及び第６の制御例の代わりに行われる例外処理である。
ここで、燃料電池２のインピーダンスを測定できない場合とは、上記したように、電力系６にインピーダンス計測のための正弦波信号を重畳することができないときのほか、例えば、バッテリ６２の充電量（ＳＯＣ）が高くて電流を流せないときもある。なお、バッテリ６２の充電量が高くなる場合としては、車両１００の連続降坂によって、トラクションモータ６４からの回生電力がバッテリ６２に充電された場合が挙げられる。
図１４に示すように、燃料電池システム４００は、図１の燃料電池システム１の構成に加えて、タイマー４１０を有する。タイマー４１０は、制御装置７に接続され、インピーダンス測定部１２２によるインピーダンスの測定間隔を計測する。燃料電池２を運転している際、インピーダンス測定部１２２は、燃料電池２のインピーダンスを適宜測定し、制御装置７は、インピーダンス測定部１２２による測定値を適宜更新しながら、燃料電池２を所望の運転状態（乾燥状態、湿潤状態、通常状態）にて運転するように制御する。タイマー４１０は、インピーダンスの測定値が更新されてから次に更新されるまでの時間（測定間隔）を計測する。
図１５に示すように、乾燥運転の実行中（ステップＳ４１）、燃料電池２のインピーダンスがインピーダンス測定部１２２によって測定される（ステップＳ４２）。次いで、タイマー４１０により計測された測定間隔が所定の閾値よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ４３）。所定の閾値は、例えば高電圧ＤＣ−ＤＣコンバータ６１の能力を加味して設定すればよく、例えば３０秒に設定される。
測定間隔が所定の閾値以下である場合には（ステップＳ４３；ＮＯ）、インピーダンス測定部１２２によってインピーダンスの測定値が正常に更新されているとして、更新後のインピーダンスに基づいて、制御パラメータを変更して乾燥運転を続行する（ステップＳ４４）。なお、乾燥運転の仕方は、上記第１〜第３の例に記載のとおり、冷却ポンプ４２及び切替え弁４５等によるＦＣ温度の上昇、コンプレッサ１４による酸化ガスの供給流量の増加、背圧調整弁１６による酸化ガスの供給圧の低下などを行う方法を用いればよい。その後は、システム停止指令の有無によって分かれ（ステップＳ４５）、インピーダンス測定が再度行われるか（ステップＳ４２）、あるいは掃気運転に切り替えられる（ステップＳ４６）。
一方、測定間隔が所定の閾値よりも大きい場合には（ステップＳ４３；ＹＥＳ）、インピーダンス測定部１２２がインピーダンスを測定できないとして、これまで行ってきた乾燥運転を禁止する（ステップＳ４７）。そして、燃料電池２を乾燥運転から通常運転へと切り替えるようにする（ステップＳ４８）。通常運転への切り替えは、乾燥運転についての上記第１〜第３の例とは逆の運転を実行すればよい。例えば、乾燥運転に比べて、コンプレッサ１４による酸化ガスの供給流量の低下、背圧調整弁１６による酸化ガスの供給圧の増加、冷却ポンプ４２の回転数の低下などを行うことで、通常運転に切り替えるとよい。ただし、ステップＳ４８では、燃料電池２を湿潤制御（第３の制御例、第４の制御例）しない。
以上説明したように、第８の制御例によれば、乾燥運転中にインピーダンスを測定できず、測定値を正常に更新することができないとき、乾燥運転を禁止し、燃料電池２を通常運転に復帰させる。これにより、燃料電池２のイオン交換膜の状態が乾燥気味であるのか、あるいは湿潤気味であるのか不明な状態で乾燥運転を行うと、燃料電池２を乾燥し過ぎる（いわゆるドライアップとなる）おそれがあるが、このことを乾燥運転の禁止によって抑制することができる。よって、第６の制御例のようにインピーダンスを測定できないときに燃料電池２の含水量を推定しなくとも、燃料電池２を適切な状態で運転させることができ、フェールセーフを達成できる。
１：燃料電池システム、２：燃料電池、３：酸化ガス配管系、４：燃料ガス配管系、５：冷媒配管系、７：制御装置、１４：コンプレッサ（供給機）、１２２：インピーダンス測定部、１２３：水収支計算部、４００：燃料電池システム、４１０：タイマー

Claims (7)

  1. 燃料電池と、当該燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記制御装置は、システム停止指令の前に、前記燃料電池の運転中のインピーダンスを測定し、その測定したインピーダンスの大きさから当該燃料電池の通常運転を継続させるかあるいは当該燃料電池内が前記通常運転よりも乾燥気味となる乾燥運転を実行するかを決定し、前記システム停止指令の前に、当該乾燥運転を実行することに決定してその運転を行っているときに前記燃料電池の要求出力が当該乾燥運転では満たすことができなくなった場合には、前記燃料電池を前記乾燥運転から湿潤状態での運転に切り替える、燃料電池システム。
  2. 燃料電池と、当該燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記制御装置は、システム停止指令の前に、前記燃料電池の運転中のインピーダンスを測定し、その測定したインピーダンスの大きさから当該燃料電池の通常運転を継続させるかあるいは当該燃料電池内が前記通常運転よりも乾燥気味となる乾燥運転を実行するかを決定し、前記システム停止指令の前に、当該乾燥運転を実行することに決定してその運転を行っているときに当該燃料電池システムを搭載した移動体が当該燃料電池システムによって移動しているときの移動速度が比較的高速の所定値以上となった場合には、前記燃料電池を前記乾燥運転から湿潤状態での運転に切り替える、燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池に酸化ガスを供給する供給機を更に備え、
    前記制御装置は、前記インピーダンスを測定する測定部を備えており、
    前記制御装置は、測定されたインピーダンスから、乾燥状態のための前記燃料電池における水収支の目標値を決定し、この目標値から、前記燃料電池への酸化ガスの目標供給量を決定すると共に、
    前記測定されたインピーダンスから前記燃料電池の現在の含水量を推定し、この推定された含水量から前記酸化ガスの目標供給量を補正し、その補正された供給量となるように前記供給機を制御する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御装置は、前記インピーダンスを測定する測定部と、前記燃料電池における水収支を計算する計算部と、を備えており、
    前記制御装置は、前記測定部が前記インピーダンスを測定できないときに、前記計算部により計算された水収支と、前記測定部が最も直近に測定できたインピーダンスから推定した前記燃料電池の含水量とを用いて前記燃料電池の現在の含水量を推定する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御装置は、前記インピーダンスを測定できないとき、前記燃料電池の乾燥運転を禁止する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  6. 前記インピーダンスの測定間隔を計測するタイマーを更に備え、
    前記制御装置は、前記タイマーが計測した測定間隔の時間が、インピーダンスを正常に測定可能な時間間隔として設定される閾値を越えるとき、前記燃料電池の乾燥運転を禁止する、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御装置は、前記インピーダンスを測定できないとき、前記燃料電池を前記乾燥運転から前記通常運転に切り替える、請求項５又は６に記載の燃料電池システム。
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