JP4947362B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は運転停止時に燃料電池内部を掃気する燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、燃料ガス及び酸化ガスを膜−電極接合体に供給することにより電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するためのエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電源としての用途が期待されている。

燃料電池スタックのガス流路内部には、反応ガスの電気化学反応で生じた生成水や反応ガスを加湿するための加湿水などが残留しており、この残留水を放置したまま発電を停止すると、低温環境下では、残留水が凍結してしまい、膜−電極接合体への反応ガスの拡散が妨げられ、低温始動性が低下する。このような問題点に鑑み、特開２００２−２４６０５３号公報には、運転停止時に燃料電池スタック内部に掃気ガスを供給することにより、水分を除去し、燃料電池スタックの交流インピーダンスを計測することにより、電解質膜の乾燥度合いを判断する手法が提案されている。
特開２００２−２４６０５３号公報

しかし、燃料電池スタックの温度変化速度に基づいて燃料電池スタック内部の乾燥状態を監視し、掃気を開始する時点で測定した燃料電池スタックの交流インピーダンスと、掃気を開始してからある程度の乾燥が見込まれる時点で測定した燃料電池スタックの交流インピーダンスとに基づいて掃気実施時間を推定する機能を有する燃料電池システムにおいては、掃気開始時点で既に燃料電池スタック内部がある程度乾燥していると、掃気開始当初から温度変化速度が鈍いため、掃気実施時間を誤推定してしまい、燃料電池スタックを過度に乾燥させてしまう虞がある。

そこで、本発明は、上記の問題点を解決し、掃気処理による過乾燥を抑止できる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に掃気ガスを供給する掃気手段と、燃料電池の温度変化速度を検出する検出手段と、掃気開始時点における燃料電池の第一の交流インピーダンスを測定し、第一の交流インピーダンスが所定値未満であれば、温度変化速度の絶対値が所定の閾値未満に低下する時点における燃料電池の第二の交流インピーダンスを測定する一方、第一の交流インピーダンスが所定値以上であれば、掃気開始時点から予め定められた一定時間経過する時点における燃料電池の第二の交流インピーダンスを測定する交流インピーダンス測定部と、第一の交流インピーダンス、第二の交流インピーダンス、及び第一の交流インピーダンスを測定する時点から第二の交流インピーダンスを測定する時点までの経過時間に基づいて掃気実施時間を推定する掃気実施時間推定部を備える。

第一の交流インピーダンスが所定の閾値未満であるということは、適度な湿潤状態であることを意味しているので、燃料電池の温度変化速度に基づいて乾燥状態を監視し、温度変化速度の絶対値が所定の閾値未満に低下する時点を以って適度な乾燥状態と判定し、その時点における第二の交流インピーダンスを測定するのが好ましい。一方、第一の交流インピーダンスが所定の閾値以上であるということは、ある程度の乾燥状態が進行している状態を意味するので、このような場合には、過乾燥を抑止するため、予め定められた一定時間経過後に第二の交流インピーダンスを測定するのが好ましい。

ここで、掃気実施時間推定部は、補完関数を用いて掃気実施時間を推定するのが好ましい。掃気処理中の時間経過に伴う交流インピーダンスの変化は、ある特定の関数曲線に近似することができるため、補完関数を用いることにより推定精度を高めることができる。

本発明によれば、掃気処理による過乾燥を抑止できる燃料電池システムを提供することができる。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる燃料電池システム１０のシステム構成を示す。
燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、燃料電池スタック２０を冷却するための冷却系６０と、システム全体を制御する制御ユニット（ＥＣＵ）９０とを備えている。

燃料電池スタック２０は、複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力電圧を検出するための電圧センサ７１、及び発電電流を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。

酸化ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３４と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３６とを有している。酸化ガス通路３４には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池スタック２０のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器３３と、酸化ガス供給量を調整するための絞り弁３５が設けられている。酸化オフガス通路３６には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁３７と、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３３とが設けられている。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４５と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４５に帰還させるための循環通路４６と、循環通路４６内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４７と、循環通路４７に分岐接続される排気排水通路４８とを有している。

燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁４２を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４５に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータ４３やインジェクタ４４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

尚、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。

レギュレータ４３は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。

インジェクタ４４は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４４は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。

排気排水通路４８には、排気排水弁４９が配設されている。排気排水弁４９は、制御ユニット９０からの指令によって作動することにより、循環通路４６内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁４９の開弁により、循環通路４６内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。

排気排水弁４９を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４７は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。

電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する電力変換手段である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。

バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ５２には、

トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、制御ユニット９０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。

冷却系６０は、燃料電池スタック２０内部を循環する冷媒を流すための冷媒通路６１、６２，６３，６４、冷媒を圧送するための循環ポンプ６５、冷媒と外気との間で熱交換するためのラジエータ６６、冷媒の循環経路を切り替えるための三方弁６７、及び冷媒温度を検出するための温度センサ７４を備えている。暖機運転が完了した後の通常運転時には燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１，６４を流れてラジエータ６６にて冷却された後、冷媒通路６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。一方、システム起動直後における暖機運転時には、燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１，６２，６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。

制御ユニット９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部（酸化ガス供給系３０、燃料ガス供給系４０、電力系５０、及び冷却系６０）を制御するための制御手段として機能する。例えば、制御ユニット９０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基にシステム全体の要求電力を求める。

システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、制御ユニット９０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算するとともに、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御する。更に制御ユニット９０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。制御ユニット９０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５３に出力し、トラクションモータ５４の出力トルク、及び回転数を制御する。

図２は燃料電池スタック２０を構成するセル２１の分解斜視図である。
セル２１は、電解質膜２２と、アノード極２３と、カソード極２４と、セパレータ２６，２７とから構成されている。アノード極２３及びカソード極２４は、電解質膜２２を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ２６，２７は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極２３及びカソード極２４との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ２６には、断面凹状のリブ２６ａが形成されている。リブ２６ａにアノード極２３が当接することで、リブ２６ａの開口部は閉塞され、燃料ガス流路が形成される。セパレータ２７には、断面凹状のリブ２７ａが形成されている。リブ２７ａにカソード極２４が当接することで、リブ２７ａの開口部は閉塞され、酸化ガス流路が形成される。

アノード極２３は、白金系の金属触媒（Ｐｔ，Ｐｔ−Ｆｅ，Ｐｔ−Ｃｒ，Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｒｕなど）を担持するカーボン粉末を主成分とし、電解質膜２２に接する触媒層２３ａと、触媒層２３ａの表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層２３ｂとを有する。同様に、カソード極２４は、触媒層２４ａとガス拡散層２４ｂとを有する。より詳細には、触媒層２３ａ，２４ａは、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜２２上にスクリーン印刷したものである。ガス拡散層２３ｂ、２４ｂは、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。電解質膜２２は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。電解質膜２２、アノード極２３、及びカソード極２４によって膜−電極アッセンブリ２５が形成される。

図３はセル２１の電気的な特性を示す等価回路図である。
セル２１の等価回路は、Ｒ２とＣとの並列接続回路にＲ１が直列接続する回路構成を有している。ここで、Ｒ１は電解質膜２２の電気抵抗に相当し、Ｒ２は活性化過電圧と拡散過電圧とを抵抗換算したものに相当している。Ｃはアノード電極２３と電解質膜２２との界面、及びカソード電極２４と電解質膜２２との界面に形成される電気二重層容量を示している。この等価回路に所定の周波数を有する正弦波電流を印加した場合、電流の変化に対して電圧の応答が遅れる。

図４は燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを複素平面上に表示したグラフである。横軸は交流インピーダンスの実数部を示し、縦軸は交流インピーダンスの虚数部を示している。ωは正弦波電流の角周波数である。

図３に示す等価回路に高周波から低周波までの正弦波信号を印加すると、図４に示すようなグラフが得られる。正弦波信号の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）の交流インピーダンスは、Ｒ１となる。正弦波信号の周波数が非常に小さい場合（ω＝０）の交流インピーダンスは、Ｒ１＋Ｒ２となる。高周波から低周波の間で正弦波信号の周波数を変化させたときに得られる交流インピーダンスは、図４に示すような半円を描く。

このように、交流インピーダンス法を用いることで、燃料電池スタック２０の等価回路におけるＲ１とＲ２を分離して計測することが可能となる。Ｒ１が予め定められた所定値より大きくなり、燃料電池スタック２０の出力が低下している場合には、電解質膜２２が乾燥して抵抗過電圧が大きくなり、導電率が低下していることが出力低下の原因と判断できる。Ｒ２が予め定められた所定値より大きくなり、燃料電池スタック２０の出力が低下している場合には、電極表面に水が過剰に存在し、拡散過電圧が大きくなっていることが原因であると判断できる。

図５は掃気処理に係わる制御ユニット９０の機能ブロックを示す。
制御ユニット９０は、電圧指令部９１、交流インピーダンス測定部９２、測定メモリ９３、及び掃気実施時間推定部９４を備えており、これら各部の協働により掃気制御手段として機能する。
制御ユニット９０による燃料電池スタック２０の交流インピーダンス計測は、以下の手順により実施される。
（１）電圧指令部９１は、所定の直流電圧に正弦波信号を重畳した電圧指令値を生成し、かかる電圧指令値をＤＣ／ＤＣコンバータ５１に出力する。
（２）ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、電圧指令値に基づいて動作し、バッテリ５２に蓄電されている直流電力を交流電力に変換して、燃料電池スタック２０に正弦波信号を印加する。
（３）交流インピーダンス測定部９２は、電圧センサ７１によって検出される応答電圧と、電流センサ７２によって検出される応答電流とを所定のサンプリングレートでサンプリングし、高速フーリエ変換処理（ＦＦＴ処理）を行い、応答電圧と応答電流とをそれぞれ実成分と虚成分とに分割し、ＦＦＴ処理した応答電圧をＦＦＴ処理した応答電流で除して交流インピーダンスの実成分と虚成分とを算出し、複素平面上での原点からの距離ｒと位相角θとを算出する。燃料電池スタック２０に印加される正弦波信号の周波数を連続的に変化させながら応答電圧と応答電流を計測することで、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを算出することができる。

尚、燃料電池スタック２０を流れる電流は化学反応による電荷の移動を伴うため、交流信号の振幅を増大させると、供給ガス量に対する反応量（ガス利用率）が変動することになる。ガス利用率の変動があると、交流インピーダンスの測定に誤差が生じる虞があるので、交流インピーダンス測定の際に燃料電池スタック２０に印加する信号の交流成分は、直流成分の数％程度が好ましい。

交流インピーダンス測定部９２は、上記のようにして測定した交流インピーダンスの値を測定メモリ９３に格納する。掃気実施時間推定部９４は、測定メモリ９３に格納されている交流インピーダンスの値に基づいて掃気実施時間を推定する。具体的には、掃気実施時間推定部９４は、掃気開始時点で測定される第一の交流インピーダンスと、掃気開始時点からある程度の乾燥が見込まれる時点で測定される第二の交流インピーダンスと、第一の交流インピーダンスの測定時点から第二の交流インピーダンスの測定時点までの経過時間（以下、交流インピーダンス計測間隔と称する。）とに基づいて、掃気実施時間を推定する。掃気実施時間の推定手法の詳細については、後述する。

図６は交流インピーダンス計測間隔を判定するための処理ルーチンを示す。
交流インピーダンス測定部９２は、掃気開始時点における燃料電池スタック２０の第一の交流インピーダンスＺ１を測定すると（ステップ６０１）、第一の交流インピーダンスＺ１が閾値Ｚｔ未満であるか否かを判定する（ステップ６０２）。閾値Ｚｔは、燃料電池スタック２０の温度変化速度に基づく乾燥判定に適した水分量に対応する交流インピーダンス（例えば、３００ｍΩ）に設定するのが好ましい。第一の交流インピーダンスＺ１が閾値Ｚｔ未満であるときは（ステップ６０２；ＹＥＳ）、温度変化速度に基づく乾燥判定に適した水分量が掃気開始時点における燃料電池スタック内部に残留していることを意味しているので、交流インピーダンス測定部９２は、第一の交流インピーダンスを測定する時点から燃料電池スタック２０の温度変化速度の絶対値が所定の閾値未満に低下する時点までの経過時間を交流インピーダンス計測間隔Ｔ１として設定する（ステップ６０３）。このように設定する理由は、燃料電池スタック内部が適度な湿潤状態から乾燥状態に遷移すると、燃料電池スタック内部の気化水量が飽和し、温度変化速度が鈍化する現象が生じるので、温度変化速度に基づいて乾燥状態を判定することができるためである。

一方、第一の交流インピーダンスＺ１が閾値Ｚｔ以上であるときは（ステップ６０２；ＮＯ）、交流インピーダンス測定部９２は、予め定められた一定時間（例えば、１０秒）を交流インピーダンス計測間隔Ｔ１として設定する（ステップ６０４）。このように設定する理由は、掃気開始時点における燃料電池スタック内部が既に乾燥気味であるような場合には、掃気開始当初から温度変化速度は鈍いので、温度変化速度の検出による乾燥判定は不向きであり、しかも短時間で乾燥することが見込まれるので、過乾燥を抑止する観点から交流インピーダンス計測間隔を一定の短時間に制限したものである。

尚、制御ユニット９０は、燃料電池スタック２０の温度を温度センサ７４から一定周期間隔で取得しており、単位時間あたりの温度変化量を検出する温度変化速度検出手段として機能する。

次に、図７乃至図８を参照しながら掃気実施時間を推定する方法について説明する。
図７は交流インピーダンスの時間変化を示すグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は燃料電池スタック２０の交流インピーダンスの値を示している。時刻ｔ１は、イグニッションスイッチがオフになるタイミングを示している。時刻ｔ０〜時刻ｔ１では、燃料電池システム１０は、発電状態にあり、交流インピーダンス測定部９２は、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを一定周期間隔で演算し、交流インピーダンスの値を測定メモリ９３に格納する。このとき、測定メモリ９３に格納される交流インピーダンスの値は、最新の値に逐次更新される。

時刻ｔ１でイグニッションスイッチがオフになり、制御ユニット９０に運転停止が指令されると、制御ユニット９０は、時刻ｔ１の時点で測定する第一の交流インピーダンスＺ１を測定メモリ９３に格納し、掃気処理を開始する。掃気処理は、掃気手段としてのエアコンプレッサ３２を駆動し、燃料電池スタック２０内部のガスチャンネルに掃気ガスとしての加圧エアを流すことにより、ガスチャンネル内部の湿潤状態を適度に調整するための処理である。ガスチャンネルに水分が多量に残存すると、次回の起動時の始動性が低下するだけでなく、低温環境下では水分凍結により配管や弁などが破損する虞がある。一方、燃料電池スタック２０内部の水分が不足気味であると、電解質膜２２の伝導性が低下するので、発電効率の低下を引き起こす。このため掃気処理では、燃料電池スタック２０内部が最適な湿潤状態となるときの交流インピーダンスを目標交流インピーダンスＺ３として予め設定しておき、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスが目標交流インピーダンスＺ３に一致するための掃気実施時間を推定している。

時刻ｔ１から交流インピーダンス計測間隔Ｔ１が経過する時刻ｔ２において、交流インピーダンス測定部９２は、燃料電池スタック２０の第二の交流インピーダンスＺ２を測定し、測定メモリ９３に格納されている最新の交流インピーダンスの値をＺ１からＺ２に更新する。掃気実施時間推定部９４は、図８に示すように補完関数２００を用いて、時刻ｔ１の時点で測定した第一の交流インピーダンスＺ１、時刻ｔ２の時点で測定した第二の交流インピーダンスＺ２、及び交流インピーダンス計測間隔Ｔ１に基づいて、交流インピーダンスが目標交流インピーダンスＺ３に一致するために必要な掃気実施時間Ｔ２を推定する。

補完関数２００は、図８に示すグラフにおいて、少なくとも二つの測定座標、例えば、（ｔ１,Ｚ１）及び（ｔ２，Ｚ２）に基づいて目標座標（ｔ３，Ｚ３）を推定するための関数であり、予め実験等によって求められている。補完関数２００として、例えば、二次関数が好適である。二次関数の例として、例えば、ｔを時間、Ｚを交流インピーダンス、ａ及びＺ０を正の定数として、Ｚ＝ａｔ²＋Ｚ０を挙げることができる。この二次関数に二つの測定座標を代入すると、定数ａ及びＺ０の値が定まる。Ｚ＝Ｚ３となるときのｔの解が掃気完了時刻ｔ３である。掃気実施時間Ｔ２＝掃気完了時刻ｔ３−掃気開始時刻ｔ１より掃気実施時間Ｔ２を算出できる。

本実施形態によれば、掃気開始時点における燃料電池スタック２０内部の湿潤状態を第一の交流インピーダンスＺ１に基づいて判定し、掃気開始時点での湿潤状態が良好であれば、温度変化速度に基づいて交流インピーダンス計測間隔Ｔ１を決定する一方、掃気開始時点で既に乾燥気味であるならば、交流インピーダンス計測間隔Ｔ１を一定の短時間に制限することで、掃気処理による過乾燥を抑止することができる。

上述の実施形態では、燃料電池システム１０を車載電源システムとして用いる利用形態を例示したが、燃料電池システム１０の利用形態は、この例に限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０を燃料電池車両以外の移動体（ロボット、船舶、航空機等）の電力源として搭載してもよい。また、本実施形態に係わる燃料電池システム１０を住宅やビル等の発電設備（定置用発電システム）として用いてもよい。

本実施形態に係わる燃料電池システムの構成図である。 セルの分解斜視図である。 セルの電気的特性を示す等価回路図である。 燃料電池スタックの交流インピーダンスを複素平面上に表示したグラフである。 掃気処理に係わる制御ユニットの機能ブロック図である。 交流インピーダンス計測間隔を判定するためのフローチャートである。 交流インピーダンスの時間変化を示す説明図である。 交流インピーダンスの時間変化を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池スタック ９０…制御ユニット ９１…電圧指令部 ９２…交流インピーダンス測定部 ９３…測定メモリ ９４…掃気時間推定部

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に掃気ガスを供給する掃気手段と、
   前記燃料電池の温度変化速度を検出する検出手段と、
   掃気開始時点における前記燃料電池の第一の交流インピーダンスを測定し、前記第一の交流インピーダンスが所定値未満であれば、前記温度変化速度の絶対値が所定の閾値未満に低下する時点における前記燃料電池の第二の交流インピーダンスを測定する一方、前記第一の交流インピーダンスが所定値以上であれば、前記掃気開始時点から予め定められた一定時間経過する時点における前記燃料電池の第二の交流インピーダンスを測定する交流インピーダンス測定部と、
   前記第一の交流インピーダンス、前記第二の交流インピーダンス、及び前記第一の交流インピーダンスを測定する時点から前記第二の交流インピーダンスを測定する時点までの経過時間に基づいて掃気実施時間を推定する掃気実施時間推定部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記掃気実施時間推定部は、補完関数を用いて前記掃気実施時間を推定する、燃料電池システム。

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