燃料電池システム
【課題】零下時における燃料電池システムの始動性を確保する。
【解決手段】本発明は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、燃料電池の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、燃料電池システムの運転状態に基づいて燃料電池の電解質膜の含水分布を推定する含水分布推定手段と、燃料電池システムの停止後に燃料電池を乾燥させる停止後パージ運転を実施する停止後パージ手段と、を備え、停止後パージ手段は、停止後パージ運転終了時の内部抵抗の目標値を電解質膜の含水分布に基づいて算出し、燃料電池の内部抵抗が目標値以上となったときに前記停止後パージ運転を終了させることを特徴とする。
【解決手段】本発明は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、燃料電池の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、燃料電池システムの運転状態に基づいて燃料電池の電解質膜の含水分布を推定する含水分布推定手段と、燃料電池システムの停止後に燃料電池を乾燥させる停止後パージ運転を実施する停止後パージ手段と、を備え、停止後パージ手段は、停止後パージ運転終了時の内部抵抗の目標値を電解質膜の含水分布に基づいて算出し、燃料電池の内部抵抗が目標値以上となったときに前記停止後パージ運転を終了させることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、零下起動に備えて燃料電池システムの停止後に燃料電池スタックを乾燥させるための停止後パージ運転を実施するものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２６６６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックの内部インピーダンスが予め定められた所定値以上になったときに停止後パージ運転を終了することで、電解質膜の膜中の水分量（以下「含水量」という。）を所定量以下に保ち、零下時の始動性を確保していた。
【０００５】
しかしながら、燃料電池スタックの内部インピーダンスは、電解質膜全体の含水量が変わると変化するが、仮に、含水量が同じだとしても、たとえば、通常に比して電解質膜の上流が乾燥し、下流がより濡れているような含水分布では、通常の含水分布に比して、含水量とインピーダンスの関係が変化することがわかった。そのため、停止後パージ運転を終了する条件となる内部インピーダンスを予め定められた所定値に設定していると、電解質膜の含水分布によっては、電解質膜の含水量が所定量に対して乖離した状態で停止後パージ運転を終了してしまい、零下時の始動性が悪化するという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、電解質膜の含水分布に関わらず、燃料電池システムの始動性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、燃料電池の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、燃料電池システムの運転状態に基づいて燃料電池の電解質膜の含水分布を推定する含水分布推定手段と、燃料電池システムの停止後に燃料電池を乾燥させる停止後パージ運転を実施する停止後パージ手段と、を備える。そして、停止後パージ手段が、停止後パージ運転終了時の内部抵抗の目標値を電解質膜の含水分布に基づいて算出し、燃料電池の内部抵抗が目標値以上となったときに停止後パージ運転を終了させる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電解質膜の含水分布に応じて停止後パージ運転を終了させる内部抵抗の目標値を変更させることとした。これにより、停止後パージ運転を終了したときの電解質膜の含水量が所定量に対して乖離するのを抑制できる。よって、電解質膜の過湿潤又は過乾燥を抑制することができるので、電解質膜の含水分布に関わらず燃料電池システムの始動性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】電解質膜全体の含水量はそれぞれ同じで、電解質膜の含水分布がそれぞれ異なっている様子を示した図である。
【図３】電解質膜の含水分布の推定方法について説明する図である。
【図４】スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、出力電流が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【図５】出力電流、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、スタック温度が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【図６】出力電流、スタック温度、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、カソード圧が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【図７】出力電流、スタック温度、カソード圧及び外気湿度が一定と仮定した場合に、ストイキレシオが変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【図８】出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオが一定と仮定した場合に、外気湿度が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【図９】外気湿度の推定方法について説明する図である。
【図１０】本発明の第１実施形態による停止後パージ制御について説明するフローチャートである。
【図１１】本発明の第１実施形態による電解質膜の含水分布推定処理について説明するフローチャートである。
【図１２】内部インピーダンスの暫定値と実際値との差分に基づいて外気湿度を算出するテーブルである。
【図１３】停止後パージ処理について説明するフローチャートである。
【図１４】電解質膜の含水分布に基づいて目標内部インピーダンスの値を算出するテーブルである。
【図１５】出力電流が変化したときの出力電圧の変化の様子を示した図である。
【図１６】図１５の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３及びｔ４における電解質膜の含水分布を示した図である。
【図１７】本発明の第２実施形態による電解質膜の含水分布推定処理について説明するフローチャートである。
【図１８】含水分布補正処理について説明するフローチャートである。
【図１９】出力電流差分値に基づいて、出力電圧が負荷変動後の出力電流に対応する電圧値になるまでに必要な時間を算出するテーブルである。
【図２０】出力電流が変化したときのスタック温度の変化の様子を示した図である。
【図２１】図２０の時刻ｔ１、ｔ２及びｔ３における電解質膜の含水分布を示した図である。
【図２２】出力電流差分値に基づいて、スタック温度が負荷変動後の出力電流に対応する温度になるまでに必要な時間を算出するテーブルである。
【図２３】出力電流の変動幅が相対的に小さいときのスタック温度及び出力電圧の変化の様子を示した図である。
【図２４】出力電流の変動幅が相対的に大きいときのスタック温度及び出力電圧の変化の様子を示した図である。
【図２５】本発明の第４実施形態による含水分布補正処理について説明するフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１２】
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
【００１３】
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１４】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１５】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
【００１６】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス給排装置２と、カソードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、コントローラ５と、を備える。
【００１７】
燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、発電した電力を、車両を駆動するために必要なモータ（図示せず）などの各種の電装部品に供給する。
【００１８】
アノードガス給排装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、アノード調圧弁２３と、アノードガス排出通路２４と、アノードガス還流通路２５と、リサイクルコンプレッサ２６と、排出弁２７と、を備える。
【００１９】
高圧タンク２１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００２０】
アノードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスが流れる通路であって、一端が高圧タンク２１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
【００２１】
アノード調圧弁２３は、アノードガス供給通路２２に設けられる。アノード調圧弁２３は、コントローラ５によって開閉制御され、高圧タンク２１からアノードガス供給通路２２に流れ出したアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００２２】
アノードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスが流れる通路であって、一端が燃料電池スタック１１のアノードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。アノードオフガスは、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からリークしてきた窒素などの不活性ガスと、の混合ガスである。
【００２３】
アノードガス還流通路２５は、アノードガス排出通路２４に排出されたアノードオフガスを、アノードガス供給通路２２に戻すための通路である。アノードガス還流通路２５は、一端が排出弁２７よりも上流側のアノードガス排出通路２４に接続され、他端がアノード調圧弁２３よりも下流側のアノードガス供給通路２２に接続される。
【００２４】
リサイクルコンプレッサ２６は、アノードガス還流通路２５に設けられる。リサイクルコンプレッサ２６は、アノードガス排出通路２４に排出されたアノードオフガスを、アノードガス供給通路２２に戻す。
【００２５】
排出弁２７は、アノードガス排出通路２４とアノードガス還流通路２５との接続部よりも下流側のアノードガス排出通路２４に設けられる。排出弁２７は、コントローラ５によって開閉制御され、アノードオフガスや凝縮水を燃料電池システム１００の外部へ排出する。
【００２６】
カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、カソードガス排出通路３２と、フィルタ３３と、カソードコンプレッサ３４と、エアフローセンサ３５と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）３６と、圧力センサ３７と、カソード調圧弁３８と、を備える。
【００２７】
カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路３１は、一端がフィルタ３３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
【００２８】
カソードガス排出通路３２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路３２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。
【００２９】
フィルタ３３は、カソードガス供給通路３１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
【００３０】
カソードコンプレッサ３４は、カソードガス供給通路３１に設けられる。カソードコンプレッサ３４は、フィルタ３３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路３１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
【００３１】
エアフローセンサ３５は、カソードコンプレッサ３４よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。エアフローセンサ３５は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの流量を検出する。
【００３２】
ＷＲＤ３６は、カソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガスを加湿する装置であって、加湿部３６１と除湿部３６２とを備える。
【００３３】
加湿部３６１は、エアフローセンサ３５よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。加湿部３６１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスを加湿する。
【００３４】
除湿部３６２は、カソードガス排出通路３２に設けられる。除湿部３６２は、カソードガス排出通路３２を流れるカソードオフガスを除湿し、回収した水蒸気を加湿部３６１に供給する。
【００３５】
圧力センサ３７は、ＷＲＤ３６の加湿部３６１よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ３７は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下「カソード圧」という。）を検出する。
【００３６】
カソード調圧弁３８は、ＷＲＤ３６の除湿部３６２よりも上流のカソードガス排出通路３２に設けられる。カソード調圧弁３８は、コントローラ５によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００３７】
スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、冷却水循環ポンプ４５と、水温センサ４６と、を備える。
【００３８】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１１を冷却するための冷却水が循環する通路である。
【００３９】
ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。
【００４０】
バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。
【００４１】
三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。
【００４２】
冷却水循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。
【００４３】
水温センサ４６は、ラジエータ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設けられる。水温センサ４６は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）を検出する。
【００４４】
コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ５には、前述したエアフローセンサ３５、圧力センサ３７及び水温センサ４６の他にも、燃料電池スタックの出力電流を検出する電流センサ５１や、燃料電池スタックの出力電圧を検出する電圧センサ５２、始動キーのオン・オフに基づいて燃料電池システムの始動要求及び停止要求を検出するキーセンサ５３などの燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの信号が入力される。
【００４５】
ここで、本実施形態のような燃料電池システム１００を車両に搭載する場合、外気温度が０℃を下回るような低温環境下においても、燃料電池システム１００を確実かつ早期に始動させることが求められる。燃料電池システム１００の停止後、燃料電池スタック１の内部を乾燥させずに放置しておくと、低温環境下では、運転中の電極反応によって生じた水（以下「生成水」）が燃料電池スタック１の内部で凍結するおそれがある。そうすると、生成水の凍結によって次回始動時に反応ガスが電極に十分に供給されなくなって発電効率が低下し、燃料電池システム１００を確実かつ早期に始動させることできなくなるおそれがある。
【００４６】
そのため、燃料電池システム１００の停止後は、電解質膜の含水量を所定量以下に保ち、生成水の凍結による始動性の低下を抑制する必要がある。したがって、燃料電池システム１００の停止後は、次回始動時に備えてカソードコンプレッサ３４を駆動して燃料電池スタック１の内部の水分を外部に排出し、電解質膜を乾燥させる停止後パージ運転を実施する必要がある。
【００４７】
電解質膜の含水量は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスと相関関係にあることが知られており、基本的に電解質膜の含水量が少なく、電解質膜が乾いた状態のときほど内部インピーダンスは高くなる。
【００４８】
そこで従来は、燃料電池システム１００の停止後、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが予め定められた所定の目標内部インピーダンス以上になったときに、停止後パージ運転を終了していた。
【００４９】
しかしながら、発明者らの鋭意研究によって、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは、電解質膜全体の含水量以外にも、電解質膜の含水分布（電解質膜の各位置での含水量）の違いによって変化することがわかった。この点について、図２を参照して説明する。
【００５０】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、電解質膜全体の含水量λａｌｌはそれぞれ同じで、電解質膜の含水分布がそれぞれ異なっている様子を示した図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）において、横軸はカソードガスの流れ方向に沿った電解質膜の位置を表しており、図中右側に行くほどカソードガスの出口マニホールドに近い位置となる。一方、縦軸はカソードガスの流れ方向に沿った電解質膜の各位置での含水量を表す。
【００５１】
図２（Ａ）は、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０と、出口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ９と、の間の差が少ない場合、すなわち電解質膜の含水分布が小さい場合を示す。図２（Ｂ）は、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０と、出口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ９と、の間の差が大きい場合、すなわち電解質膜の含水分布が大きい場合を示す。
【００５２】
電解質膜全体の含水量が同じであれば、図２（Ａ）に示すように電解質膜の含水分布が小さい場合と比べて、図２（Ｂ）に示すように電解質膜の含水分布が大きいときのほうが、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは高くなる。
【００５３】
換言すれば、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが同じ値でも、電解質膜の含水分布に応じて電解質膜全体の含水量が異なってくる。つまり、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが同じ値でも、電解質膜の含水分布が小さければ電解質膜全体の含水量は相対的に多くなり、電解質膜の含水分布が大きければ電解質膜全体の含水量が相対的に少なくなる。
【００５４】
したがって、従来のように、燃料電池システム１００の停止後、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが所定の目標内部インピーダンス以上になったことを条件に停止後パージ運転を終了していたのでは、例えば電解質膜の含水分布が小さかった場合には、電解質膜全体の含水量が所定量よりも多いまま停止後パージ運転が終了されるおそれがある。そうすると、燃料電池システム１００の停止後、次に始動されるまでの間に燃料電池スタック１の内部の水分が凍結してしまい、燃料電池システム１００の始動ができなくなるおそれがある。
【００５５】
一方、例えば電解質膜の含水分布が大きかった場合には、電解質膜全体の含水量が所定量よりも少なくなっても停止後パージ運転が継続されるおそれがある。そうすると、電解質膜の過乾燥によって、次回始動時において燃料電池スタック１の出力が低下してしまい、暖機時間が長くなって速やかな始動ができなくなるおそれがある。
【００５６】
本実施形態では、燃料電池システムの排水性を向上させるとともに、停止後パージ運転の実施時間を短くするために、電解質膜を比較的乾いた状態で燃料電池システムを運転させている。そのため、電解質膜の含水分布が特に大きくなりやすい。
【００５７】
そこで本実施形態では、燃料電池システム１００の運転中に電解質膜の含水分布を推定し、推定した電解質膜の含水分布に応じて、停止後パージ運転の目標内部インピーダンスを変化させることとした。これにより、燃料電池システム１００の停止後の電解質膜の含水量を所定量以下に保つことができ、次回始動時の始動性を確保することができる。
【００５８】
以下では、図３から図９を参照して電解質膜の含水分布の推定方法について説明した後、図１０を参照して本実施形態による停止後パージ制御について説明する。
【００５９】
図３は、電解質膜の含水分布の推定方法について説明する図である。
【００６０】
図３に示すように、カソードガスの流れ方向に沿った電解質膜の各位置での含水量を比較すると、電解質膜の各位置での含水量はカソードガスの出口マニホールドに行くほど多くなる。
【００６１】
そして、電解質膜の含水分布は、燃料電池スタック１の内部での生成水の水収支に影響を与える各種のパラメータの変化に応じて、燃料電池システム１００の運転中に時々刻々と変化する。具体的には、出力電流、スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ（カソードガス流量）及び外気湿度の変化に応じて、電解質膜の含水分布は変化する。なお、ストイキレシオとは、燃料電池スタック１の出力電流を目標電流にするために理論上必要なカソードガス流量と、実際に燃料電池スタック１に供給しているカソードガス流量と、の比である。ストイキレシオが大きいときほど、理論上必要なカソードガス流量に対して実際に燃料電池スタック１に供給しているカソードガス流量が多くなる。
【００６２】
図３に示すように、カソードガスの入口マニホールドから出口マニホールドにかけての電解質膜の含水分布は、出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオ（カソードガス流量）に応じて変化する。
【００６３】
これは、出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオに応じて、発電によって生じる生成水量が変化すると共に、カソードガスによって水蒸気として燃料電池スタック１の外部に排出される生成水量が変化するためである。
【００６４】
また、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０は、外気湿度（Relative Humidity）に応じて変化する。
【００６５】
これは、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの加湿量、すなわち、ＷＲＤ３６による加湿量と大気中に含まれる水分量（外気湿度）との和によって変化するためである。
【００６６】
図４から図８は、出力電流、スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度のそれぞれが変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００６７】
図４は、スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、出力電流が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００６８】
図４に示すように、出力電流が大きくなるほど、電解質膜の含水分布は大きくなる。
【００６９】
図５は、出力電流、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、スタック温度が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００７０】
図５に示すように、スタック温度が高くなるほど、電解質膜の含水分布は小さくなる。
【００７１】
図６は、出力電流、スタック温度、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、カソード圧が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００７２】
図６に示すように、カソード圧が高くなるほど、電解質膜の含水分布は大きくなる。
【００７３】
図７は、出力電流、スタック温度、カソード圧及び外気湿度が一定と仮定した場合に、ストイキレシオが変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００７４】
図７に示すように、ストイキレシオが大きくなるほど、電解質膜の含水分布は小さくなる。
【００７５】
図８は、出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオが一定と仮定した場合に、外気湿度が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００７６】
図８に示すように、外気湿度が高くなるほど、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０は多くなる。
【００７７】
このように、出力電流、スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度が分かれば、それらの変化による電解質膜の含水分布の変化を総合的に考慮することで、電解質膜の含水分布を推定することができる。
【００７８】
ここで、出力電流、スタック温度及びカソード圧は、それぞれ電流センサ５１、水温センサ４６及び圧力センサ３７によって検出することができる。また、ストイキレシオは、エアフローセンサ３５によってカソードガス流量を検出することで、算出することができる。
【００７９】
一方で、外気湿度については、本実施形態では湿度センサを設けていないので、推定する必要がある。そこで本実施形態では、以下のようにして外気湿度を推定する。
【００８０】
図９は、外気湿度の推定方法について説明する図である。
【００８１】
図９に実線Ａで示すように、燃料電池システム１００の始動時には、前回停止時に行われた停止後パージ運転によって、電解質膜の含水分布はほとんどついていない状態（つまりλ０≒λ１≒…≒λ８≒λ９）になっていると考えられる。そして、実線Ｂで示すように、燃料電池システム１００の運転条件に応じてこのような初期状態から徐々に含水分布がついていく。
【００８２】
ここで、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの加湿量、すなわち、ＷＲＤ３６による加湿量と大気中に含まれる水分量（外気湿度）との和に依存する。
【００８３】
したがって、外気湿度を０［％］（基準湿度）と仮定すると、電解質膜の含水分布は、図９に破線で示すように、実際の含水分布に比べて外気湿度分だけ下がる形となる。そうすると、ＷＲＤ３６による加湿量は分かるので、外気湿度を０［％］と仮定したときの電解質膜の含水分布を推定することは可能である。
【００８４】
そこで本実施形態では、外気湿度を０［％］と仮定したとき、すなわち、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０がＷＲＤ３６による加湿量と仮定したときの燃料電池スタック１の内部インピーダンスを、電解質膜の含水分布に応じて予め実験等によって算出しておき、マップとしてコントローラ５に記憶させておく。
【００８５】
そして、ＷＲＤ３６による加湿量と、運転条件（出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオ）と、に応じて、外気湿度を０［％］と仮定したときの電解質膜の含水分布を推定し、その推定した電解質膜の含水分布から燃料電池スタック１の内部インピーダンスの暫定値を算出する。
【００８６】
そしてさらに、この内部インピーダンスの暫定値を、実際に検出した内部インピーダンスと比較する。外気湿度が０［％］でなければ、内部インピーダンスの暫定値と内部インピーダンスの実際値との間に乖離が生じるので、その差分から外気湿度を推定することができる。
【００８７】
図１０は、本実施形態による停止後パージ制御について説明するフローチャートである。
【００８８】
ステップＳ１において、コントローラ５は、各種センサの検出信号を読み込む。
【００８９】
ステップＳ２において、コントローラは、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの実際値を算出する。本実施形態では、公知の交流インピーダンス法によって燃料電池スタック１の内部インピーダンスの実際値を算出する。
【００９０】
ステップＳ３において、コントローラ５は、停止後パージ実施中フラグＦｐｕｒｇｅが１に設定されているか否かを判定する。停止後パージ実施中フラグは、停止後パージ実施中に１に設定されるフラグであり、初期値は０に設定される。コントローラ５は、停止後パージ実施中フラグが０であれば、ステップＳ４の処理を行う。一方、停止後パージ実施中フラグが１であれば、ステップＳ６の処理を行う。
【００９１】
ステップＳ４において、コントローラ５は、電解質膜の含水分布推定処理を実施する。含水分布推定処理の詳細については、図１１を参照して後述する。
【００９２】
ステップＳ５において、コントローラ５は、燃料電池システム１００が停止されたか否かを判定する。具体的には、始動キーがオフにされたか否かを判定する。コントローラ５は、燃料電池システム１００が運転中であれば、今回の処理を終了する。一方、燃料電池システム１００が停止されていれば、ステップＳ６の処理を行う。
【００９３】
ステップＳ６において、コントローラ５は、停止後パージ処理を実施する。停止後パージ処理の詳細については、図１３を参照して後述する。
【００９４】
図１１は、電解質膜の含水分布推定処理について説明するフローチャートである。
【００９５】
ステップＳ４１において、コントローラ５は、電解質膜の含水分布が全くついていない状態（つまりλ０＝λ１＝…＝λ８＝λ９）を初期状態とし、出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオに基づいて、カソードガスの入口マニホールドから出口マニホールドにかけての電解質膜の含水分布を推定する。具体的には、出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオに基づいて、図４から図７に示した電解質膜の含水分布の変化の傾向からカソードガスの入口マニホールドから出口マニホールドにかけての電解質膜の含水分布を推定する。
【００９６】
ステップＳ４２において、コントローラ５は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、ＷＲＤ３６によるカソードガスへの加湿量を算出する。ＷＲＤ３６によるカソードガスへの加湿量は、燃料電池システムの運転状態に応じて予め実験等によって求めておき、それをマップとしてコントローラ５に記憶させておくことで算出することができる。
【００９７】
ステップＳ４３において、コントローラ５は、カソードガスの入口マニホールドから出口マニホールドにかけての推定した電解質膜の含水分布と、ＷＲＤ３６による加湿量と、に基づいて、予めコントローラ５に記憶させておいたマップを参照することで燃料電池スタック１の内部インピーダンスの暫定値を算出する。
【００９８】
ステップＳ４４において、コントローラ５は、内部インピーダンスの暫定値と実際値との差分を算出する。
【００９９】
ステップＳ４５において、コントローラ５は、内部インピーダンスの暫定値と実際値との差分に基づいて、図１２のテーブルを参照して外気湿度を算出する。図１２は、内部インピーダンスの暫定値と実際値との差分に基づいて外気湿度を算出するテーブルであり、差分が大きくなるほど、外気湿度は高くなる。
【０１００】
ステップＳ４６において、コントローラ５は、ＷＲＤ３６による加湿量と外気湿度とから、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０を算出し、最終的な電解質膜の含水分布を推定する。
【０１０１】
図１３は、停止後パージ処理について説明するフローチャートである。
【０１０２】
ステップＳ６１において、コントローラ５は、電解質膜の含水分布に基づいて、図１４のテーブルを参照して停止後パージ運転を終了する目標内部インピーダンスの値を算出する。図１４は、電解質膜の含水分布に基づいて目標内部インピーダンスの値を算出するテーブルであり、電解質膜の含水分布が大きいときほど、目標内部インピーダンスを大きくする。
【０１０３】
ステップＳ６２において、コントローラ５は、停止後パージ運転を開始する。具体的には、カソードコンプレッサ３４を駆動することで、電解質膜を乾燥させる。
【０１０４】
ステップＳ６３において、コントローラ５は、内部インピーダンスの実際値が目標内部インピーダンス以上になったか否かを判定する。コントローラ５は、内部インピーダンスの実際値が目標内部インピーダンスより小さければ、ステップＳ６４の処理を行う。一方で、内部インピーダンスの実際値が目標内部インピーダンス以上であれば、ステップＳ６４の処理を行う。
【０１０５】
ステップＳ６４において、コントローラ５は、停止後パージ実施中フラグＦｐｕｒｇｅを１に設定する。
【０１０６】
ステップＳ６５において、コントローラ５は、停止後パージ運転を終了する。
【０１０７】
ステップＳ６６において、コントローラ５は、停止後パージ実施中フラグＦｐｕｒｇｅを０に設定する。
【０１０８】
次に本実施形態による作用効果について説明する。
【０１０９】
本実施形態では、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが目標内部インピーダンス以上になったときに、停止後パージ運転を終了する。このとき、燃料電池システム１００の運転状態、すなわち燃料電池スタック１の内部における水収支に影響を与える各種パラメータの状態に応じて電解質膜の含水分布を推定し、電解質膜の含水分布が大きいときほど目標内部インピーダンスが大きくなるようにした。
【０１１０】
燃料電池スタック１の内部インピーダンスは、電解質膜の含水量が同じでも、電解質膜の含水分布が大きくなるほど高くなる。したがって、電解質膜の含水分布が大きいときほど目標内部インピーダンスが大きくなるようすることで、停止後パージ運転の終了時における電解質膜の含水量のばらつきを抑制することができる。
【０１１１】
これにより、電解質膜の加湿潤又は過乾燥を抑制することができるので、周囲の環境温度にかかわらず、燃料電池システム１００を確実かつ早期に起動することができる。
【０１１２】
また、本実施形態では、電解質膜の含水分布を推定するために必要な外気湿度を、出力電流、スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ（カソードガス流量）及び内部インピーダンスに応じて推定することとした。
【０１１３】
これにより、外気湿度を検出するセンサが不要となるので、燃料電池システム１００のコストを抑えることができる。
【０１１４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、燃料電池システム１００の運転状態が過渡状態のときに、電解質膜の含水分布を補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【０１１５】
図１５は、出力電流が変化したとき、すなわち定常状態から過渡状態に移行し、再び定常状態に至るまでの出力電圧の変化の様子を示した図である。
【０１１６】
図１５に示すように、時刻ｔ２で出力電流がＩ１からＩ２に増加すると、出力電流の増加に対応して出力電圧が低下する。このとき、出力電圧は、時刻ｔ２で一旦Ｖ２まで低下した後、所定の時間をかけて徐々に増加し、時刻ｔ４で負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する出力電圧Ｖ４になる。
【０１１７】
図１６は、図１５の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３及びｔ４における電解質膜の含水分布を示した図である。
【０１１８】
図１６に示すように、出力電流Ｉ１からＩ２に増加したことで、電解質膜の含水分布は、出力電流Ｉ１に対応する含水分布（時刻ｔ１における含水分布）から、出力電流Ｉ２に対応する含水分布（時刻ｔ４における含水分布）へと徐々に変化する。
【０１１９】
このように、出力電流は、過渡状態の間（時刻ｔ２〜時刻ｔ４）も一定であるが、電解質膜の含水分布は、出力電圧と同様に過渡状態の間に負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する含水分布へ向けて徐々に変化する。
【０１２０】
そこで本実施形態では、燃料電池システム１００の運転状態が過渡状態のときは、過渡状態になってからの経過時間に応じて、電解質膜の含水分布を補正することとした。以下、この本実施形態による電解質膜の含水分布推定処理について説明する。
【０１２１】
図１７は、本実施形態による電解質膜の含水分布推定処理について説明するフローチャートである。
【０１２２】
ステップＳ４１からステップＳ４６までは、第１実施形態と同様の処理を実施するので、ここでは説明を省略する。
【０１２３】
ステップＳ４７において、コントローラ５は、含水分布補正処理を実施する。含水分布補正処理の詳細については、図１８を参照して後述する。
【０１２４】
図１８は、含水分布補正処理について説明するフローチャートである。
【０１２５】
ステップＳ４７１において、コントローラ５は、出力電流の今回値と前回値との差分（以下「出力電流差分値」という。）を算出する。
【０１２６】
ステップＳ４７２において、コントローラ５は、出力電流が変化したか否かを判定する。具体的には、出力電流差分値が所定値以上か否かを判定し、出力電流差分値が所定値以上であれば、出力電流が変化したと判定する。コントローラ５は、出力電流が変化していなければステップＳ４７３の処理行う。一方で、出力電流が変化していればステップＳ４７４の処理を行う。
【０１２７】
ステップＳ４７３において、コントローラ５は、過渡フラグＦｔｒａが１に設定されているか否かを判定する。過渡フラグＦｔｒａは、過渡状態の間は１に設定されるフラグであり、初期値は０に設定される。コントローラは、過渡フラグＦｔｒａが１に設定されていれば、ステップＳ４７６の処理を行う。一方で、過渡フラグＦｔｒａが０に設定されていれば、今回の処理を終了する。
【０１２８】
ステップＳ４７４において、コントローラ５は、過渡フラグＦｔｒａを１に設定する。
【０１２９】
ステップＳ４７５において、コントローラ５は、図１９のテーブルを参照し、出力電流差分値に基づいて、出力電圧が負荷変動後の出力電流に対応する電圧値になるまでに必要な時間（以下「過渡状態時間」という。）を算出する。図１９のテーブルは、出力電流差分値と、出力電圧が負荷変動後の出力電流に対応する電圧値になるまでに必要な時間と、の関係を予め実験等によって求めて算出したものである。図１９のテーブルに示すように、過渡状態時間は、出力電流差分値が小さいときは短く、出力電流差分値が大きくなるにしたがって長くなる。
【０１３０】
ステップＳ４７６において、コントローラ５は、過渡状態になってからの経過時間を算出する。具体的には、経過時間の前回値に演算周期を加算する。経過時間の初期値は０に設定される。
【０１３１】
ステップＳ４７７において、コントローラ５は、過渡状態になってからの経過時間が過渡状態時間以上になったか否かを判定する。コントローラ５は、経過時間が過渡状態時間よりも短ければステップＳ４７８の処理を行う。一方で、経過時間が過渡状態時間以上になっていればステップＳ４７９の処理を行う。
【０１３２】
ステップＳ４７８において、コントローラ５は、電解質膜の含水分布が過渡状態時間の経過後にステップＳ４６で推定した含水分布となるように、過渡状態になってからの経過時間に応じて電解質膜の含水分布を補正する。
【０１３３】
ステップＳ４７９において、コントローラ５は、過渡フラグＦｔｒａを０に設定する。
【０１３４】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、過渡状態のときに燃料電池システム１００が停止されたとしても、精度良く電解質膜の含水分布を推定することができる。
【０１３５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、過渡状態におけるスタック温度の変化を利用して、過渡状態での電解質膜の含水分布を推定する点で第２実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１３６】
図２０は、出力電流が変化したとき、すなわち定常状態から過渡状態に移行し、再び定常状態に至るまでのスタック温度の変化の様子を示した図である。図２１は、図２０の時刻ｔ１、ｔ２及びｔ３における電解質膜の含水分布を示した図である。
【０１３７】
図２０及び図２１に示すように、出力電流が変化したときは、第２実施形態で説明した出力電圧以外にもスタック温度が徐々に変化し、スタック温度の変化に対応して電解質膜の含水分布も変化する。
【０１３８】
そこで本実施形態では、図２２のテーブルを参照し、出力電流差分値に基づいて、スタック温度が負荷変動後の出力電流に対応する温度になるまでに必要な時間（過渡状態時間）を算出する。図２２のテーブルは、出力電流差分値と、スタック温度が負荷変動後の出力電流に対応する温度になるまでに必要な時間と、の関係を予め実験等によって求めて算出したものである。
【０１３９】
このようにすることで、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１４０】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、出力電流差分値の大きさに応じて、図１９のテーブルを参照して過渡状態時間を算出するか、又は、図２２のテーブルを参照して過渡状態時間を算出するかを切り替える点で第２及び第３実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１４１】
図２３は、出力電流の変動幅が相対的に小さいとき、すなわち出力電流差分値が小さいときのスタック温度及び出力電圧の変化の様子を示した図である。図２４は、出力電流の変動幅が相対的に大きいときのスタック温度及び出力電圧の変化の様子を示した図である。
【０１４２】
図２３に示すように、出力電流差分値が小さいときは、出力電圧がすぐに負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する電圧値Ｖ２になるのに対して、スタック温度が負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する温度Ｔ２になるまでには時間がかかる。
【０１４３】
一方で、図２４に示すように、出力電流差分値が大きいときは、スタック温度が負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する温度Ｔ２になるまでに必要な時間よりも、出力電圧が負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する電圧値Ｖ２になるまでに必要な時間の方が長くなる。
【０１４４】
このように、出力電流が変化したときは、出力電圧及びスタック温度のそれぞれが変化するが、それぞれの値が負荷変動後の出力電流に対応する値になるまでに必要な時間は、出力電流差分値に応じて変化する。
【０１４５】
そこで本実施形態では、負荷変動後の出力電流に対応する値になるまでに必要な時間が長い方に基づいて、電解質膜の含水分布を補正する。
【０１４６】
図２５は、本実施形態による含水分布補正処理について説明するフローチャートである。
【０１４７】
ステップＳ４７１からステップＳ４７９までは、第２実施形態と同様の処理を実施するので、ここでは説明を省略する。
【０１４８】
ステップＳ４８０において、コントローラ５は、出力電流差分値が所定値以上か否かを判定する。コントローラ５は、出力電流差分値が所定値よりも小さければステップＳ４８１の処理を行う。一方で、出力電流差分値が所定値以上であればステップＳ４８２の処理を行う。
【０１４９】
ステップＳ４８１において、コントローラ５は、前述した図２２のテーブルを参照して、スタック温度が負荷変動後の出力電流に対応する温度になるまでに必要な時間を算出し、これを過渡状態時間とする。
【０１５０】
ステップＳ４８２において、コントローラ５は、前述した図１９のテーブルを参照して、出力電圧が負荷変動後の出力電流に対応する電圧値になるまでに必要な時間を算出し、これを過渡状態時間とする。
【０１５１】
以上説明した本実施形態によれば、出力電流の変動幅に応じて、過渡状態における電解質膜の含水分布を補正するときの指標を変えることとした。これにより、過渡状態のときに燃料電池システム１００が停止されたときの電解質膜の含水分布を、より精度良く推定することができる。
【０１５２】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【０１５３】
例えば、上記各実施形態では外気湿度を推定していたが、湿度センサを設けて外気湿度を検出しても良い。
【０１５４】
また、上記各実施形態では燃料電池システムの停止時の含水分布に基づいて、目標内部インピーダンスの値を決定していたが、停止後パージ運転中も電解質膜の含水分布を逐次推定し、その推定した含水分布に基づいて目標内部インピーダンスの値を決定しても良い。
【符号の説明】
【０１５５】
１ 燃料電池スタック（燃料電池）
１００ 燃料電池システム
Ｓ４ 含水分布推定手段
Ｓ６ 停止後パージ手段
Ｓ４１〜Ｓ４５ 外気湿度推定手段
Ｓ４３ 内部抵抗暫定値算出手段
Ｓ４７ 含水分布補正手段
Ｓ４７２ 過渡状態判定手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、零下起動に備えて燃料電池システムの停止後に燃料電池スタックを乾燥させるための停止後パージ運転を実施するものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２６６６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックの内部インピーダンスが予め定められた所定値以上になったときに停止後パージ運転を終了することで、電解質膜の膜中の水分量（以下「含水量」という。）を所定量以下に保ち、零下時の始動性を確保していた。
【０００５】
しかしながら、燃料電池スタックの内部インピーダンスは、電解質膜全体の含水量が変わると変化するが、仮に、含水量が同じだとしても、たとえば、通常に比して電解質膜の上流が乾燥し、下流がより濡れているような含水分布では、通常の含水分布に比して、含水量とインピーダンスの関係が変化することがわかった。そのため、停止後パージ運転を終了する条件となる内部インピーダンスを予め定められた所定値に設定していると、電解質膜の含水分布によっては、電解質膜の含水量が所定量に対して乖離した状態で停止後パージ運転を終了してしまい、零下時の始動性が悪化するという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、電解質膜の含水分布に関わらず、燃料電池システムの始動性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、燃料電池の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、燃料電池システムの運転状態に基づいて燃料電池の電解質膜の含水分布を推定する含水分布推定手段と、燃料電池システムの停止後に燃料電池を乾燥させる停止後パージ運転を実施する停止後パージ手段と、を備える。そして、停止後パージ手段が、停止後パージ運転終了時の内部抵抗の目標値を電解質膜の含水分布に基づいて算出し、燃料電池の内部抵抗が目標値以上となったときに停止後パージ運転を終了させる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電解質膜の含水分布に応じて停止後パージ運転を終了させる内部抵抗の目標値を変更させることとした。これにより、停止後パージ運転を終了したときの電解質膜の含水量が所定量に対して乖離するのを抑制できる。よって、電解質膜の過湿潤又は過乾燥を抑制することができるので、電解質膜の含水分布に関わらず燃料電池システムの始動性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】電解質膜全体の含水量はそれぞれ同じで、電解質膜の含水分布がそれぞれ異なっている様子を示した図である。
【図３】電解質膜の含水分布の推定方法について説明する図である。
【図４】スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、出力電流が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【図５】出力電流、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、スタック温度が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【図６】出力電流、スタック温度、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、カソード圧が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【図７】出力電流、スタック温度、カソード圧及び外気湿度が一定と仮定した場合に、ストイキレシオが変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【図８】出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオが一定と仮定した場合に、外気湿度が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【図９】外気湿度の推定方法について説明する図である。
【図１０】本発明の第１実施形態による停止後パージ制御について説明するフローチャートである。
【図１１】本発明の第１実施形態による電解質膜の含水分布推定処理について説明するフローチャートである。
【図１２】内部インピーダンスの暫定値と実際値との差分に基づいて外気湿度を算出するテーブルである。
【図１３】停止後パージ処理について説明するフローチャートである。
【図１４】電解質膜の含水分布に基づいて目標内部インピーダンスの値を算出するテーブルである。
【図１５】出力電流が変化したときの出力電圧の変化の様子を示した図である。
【図１６】図１５の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３及びｔ４における電解質膜の含水分布を示した図である。
【図１７】本発明の第２実施形態による電解質膜の含水分布推定処理について説明するフローチャートである。
【図１８】含水分布補正処理について説明するフローチャートである。
【図１９】出力電流差分値に基づいて、出力電圧が負荷変動後の出力電流に対応する電圧値になるまでに必要な時間を算出するテーブルである。
【図２０】出力電流が変化したときのスタック温度の変化の様子を示した図である。
【図２１】図２０の時刻ｔ１、ｔ２及びｔ３における電解質膜の含水分布を示した図である。
【図２２】出力電流差分値に基づいて、スタック温度が負荷変動後の出力電流に対応する温度になるまでに必要な時間を算出するテーブルである。
【図２３】出力電流の変動幅が相対的に小さいときのスタック温度及び出力電圧の変化の様子を示した図である。
【図２４】出力電流の変動幅が相対的に大きいときのスタック温度及び出力電圧の変化の様子を示した図である。
【図２５】本発明の第４実施形態による含水分布補正処理について説明するフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１２】
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
【００１３】
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１４】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１５】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
【００１６】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス給排装置２と、カソードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、コントローラ５と、を備える。
【００１７】
燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、発電した電力を、車両を駆動するために必要なモータ（図示せず）などの各種の電装部品に供給する。
【００１８】
アノードガス給排装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、アノード調圧弁２３と、アノードガス排出通路２４と、アノードガス還流通路２５と、リサイクルコンプレッサ２６と、排出弁２７と、を備える。
【００１９】
高圧タンク２１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００２０】
アノードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスが流れる通路であって、一端が高圧タンク２１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
【００２１】
アノード調圧弁２３は、アノードガス供給通路２２に設けられる。アノード調圧弁２３は、コントローラ５によって開閉制御され、高圧タンク２１からアノードガス供給通路２２に流れ出したアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００２２】
アノードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスが流れる通路であって、一端が燃料電池スタック１１のアノードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。アノードオフガスは、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からリークしてきた窒素などの不活性ガスと、の混合ガスである。
【００２３】
アノードガス還流通路２５は、アノードガス排出通路２４に排出されたアノードオフガスを、アノードガス供給通路２２に戻すための通路である。アノードガス還流通路２５は、一端が排出弁２７よりも上流側のアノードガス排出通路２４に接続され、他端がアノード調圧弁２３よりも下流側のアノードガス供給通路２２に接続される。
【００２４】
リサイクルコンプレッサ２６は、アノードガス還流通路２５に設けられる。リサイクルコンプレッサ２６は、アノードガス排出通路２４に排出されたアノードオフガスを、アノードガス供給通路２２に戻す。
【００２５】
排出弁２７は、アノードガス排出通路２４とアノードガス還流通路２５との接続部よりも下流側のアノードガス排出通路２４に設けられる。排出弁２７は、コントローラ５によって開閉制御され、アノードオフガスや凝縮水を燃料電池システム１００の外部へ排出する。
【００２６】
カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、カソードガス排出通路３２と、フィルタ３３と、カソードコンプレッサ３４と、エアフローセンサ３５と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）３６と、圧力センサ３７と、カソード調圧弁３８と、を備える。
【００２７】
カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路３１は、一端がフィルタ３３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
【００２８】
カソードガス排出通路３２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路３２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。
【００２９】
フィルタ３３は、カソードガス供給通路３１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
【００３０】
カソードコンプレッサ３４は、カソードガス供給通路３１に設けられる。カソードコンプレッサ３４は、フィルタ３３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路３１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
【００３１】
エアフローセンサ３５は、カソードコンプレッサ３４よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。エアフローセンサ３５は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの流量を検出する。
【００３２】
ＷＲＤ３６は、カソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガスを加湿する装置であって、加湿部３６１と除湿部３６２とを備える。
【００３３】
加湿部３６１は、エアフローセンサ３５よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。加湿部３６１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスを加湿する。
【００３４】
除湿部３６２は、カソードガス排出通路３２に設けられる。除湿部３６２は、カソードガス排出通路３２を流れるカソードオフガスを除湿し、回収した水蒸気を加湿部３６１に供給する。
【００３５】
圧力センサ３７は、ＷＲＤ３６の加湿部３６１よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ３７は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下「カソード圧」という。）を検出する。
【００３６】
カソード調圧弁３８は、ＷＲＤ３６の除湿部３６２よりも上流のカソードガス排出通路３２に設けられる。カソード調圧弁３８は、コントローラ５によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００３７】
スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、冷却水循環ポンプ４５と、水温センサ４６と、を備える。
【００３８】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１１を冷却するための冷却水が循環する通路である。
【００３９】
ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。
【００４０】
バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。
【００４１】
三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。
【００４２】
冷却水循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。
【００４３】
水温センサ４６は、ラジエータ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設けられる。水温センサ４６は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）を検出する。
【００４４】
コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ５には、前述したエアフローセンサ３５、圧力センサ３７及び水温センサ４６の他にも、燃料電池スタックの出力電流を検出する電流センサ５１や、燃料電池スタックの出力電圧を検出する電圧センサ５２、始動キーのオン・オフに基づいて燃料電池システムの始動要求及び停止要求を検出するキーセンサ５３などの燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの信号が入力される。
【００４５】
ここで、本実施形態のような燃料電池システム１００を車両に搭載する場合、外気温度が０℃を下回るような低温環境下においても、燃料電池システム１００を確実かつ早期に始動させることが求められる。燃料電池システム１００の停止後、燃料電池スタック１の内部を乾燥させずに放置しておくと、低温環境下では、運転中の電極反応によって生じた水（以下「生成水」）が燃料電池スタック１の内部で凍結するおそれがある。そうすると、生成水の凍結によって次回始動時に反応ガスが電極に十分に供給されなくなって発電効率が低下し、燃料電池システム１００を確実かつ早期に始動させることできなくなるおそれがある。
【００４６】
そのため、燃料電池システム１００の停止後は、電解質膜の含水量を所定量以下に保ち、生成水の凍結による始動性の低下を抑制する必要がある。したがって、燃料電池システム１００の停止後は、次回始動時に備えてカソードコンプレッサ３４を駆動して燃料電池スタック１の内部の水分を外部に排出し、電解質膜を乾燥させる停止後パージ運転を実施する必要がある。
【００４７】
電解質膜の含水量は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスと相関関係にあることが知られており、基本的に電解質膜の含水量が少なく、電解質膜が乾いた状態のときほど内部インピーダンスは高くなる。
【００４８】
そこで従来は、燃料電池システム１００の停止後、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが予め定められた所定の目標内部インピーダンス以上になったときに、停止後パージ運転を終了していた。
【００４９】
しかしながら、発明者らの鋭意研究によって、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは、電解質膜全体の含水量以外にも、電解質膜の含水分布（電解質膜の各位置での含水量）の違いによって変化することがわかった。この点について、図２を参照して説明する。
【００５０】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、電解質膜全体の含水量λａｌｌはそれぞれ同じで、電解質膜の含水分布がそれぞれ異なっている様子を示した図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）において、横軸はカソードガスの流れ方向に沿った電解質膜の位置を表しており、図中右側に行くほどカソードガスの出口マニホールドに近い位置となる。一方、縦軸はカソードガスの流れ方向に沿った電解質膜の各位置での含水量を表す。
【００５１】
図２（Ａ）は、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０と、出口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ９と、の間の差が少ない場合、すなわち電解質膜の含水分布が小さい場合を示す。図２（Ｂ）は、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０と、出口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ９と、の間の差が大きい場合、すなわち電解質膜の含水分布が大きい場合を示す。
【００５２】
電解質膜全体の含水量が同じであれば、図２（Ａ）に示すように電解質膜の含水分布が小さい場合と比べて、図２（Ｂ）に示すように電解質膜の含水分布が大きいときのほうが、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは高くなる。
【００５３】
換言すれば、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが同じ値でも、電解質膜の含水分布に応じて電解質膜全体の含水量が異なってくる。つまり、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが同じ値でも、電解質膜の含水分布が小さければ電解質膜全体の含水量は相対的に多くなり、電解質膜の含水分布が大きければ電解質膜全体の含水量が相対的に少なくなる。
【００５４】
したがって、従来のように、燃料電池システム１００の停止後、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが所定の目標内部インピーダンス以上になったことを条件に停止後パージ運転を終了していたのでは、例えば電解質膜の含水分布が小さかった場合には、電解質膜全体の含水量が所定量よりも多いまま停止後パージ運転が終了されるおそれがある。そうすると、燃料電池システム１００の停止後、次に始動されるまでの間に燃料電池スタック１の内部の水分が凍結してしまい、燃料電池システム１００の始動ができなくなるおそれがある。
【００５５】
一方、例えば電解質膜の含水分布が大きかった場合には、電解質膜全体の含水量が所定量よりも少なくなっても停止後パージ運転が継続されるおそれがある。そうすると、電解質膜の過乾燥によって、次回始動時において燃料電池スタック１の出力が低下してしまい、暖機時間が長くなって速やかな始動ができなくなるおそれがある。
【００５６】
本実施形態では、燃料電池システムの排水性を向上させるとともに、停止後パージ運転の実施時間を短くするために、電解質膜を比較的乾いた状態で燃料電池システムを運転させている。そのため、電解質膜の含水分布が特に大きくなりやすい。
【００５７】
そこで本実施形態では、燃料電池システム１００の運転中に電解質膜の含水分布を推定し、推定した電解質膜の含水分布に応じて、停止後パージ運転の目標内部インピーダンスを変化させることとした。これにより、燃料電池システム１００の停止後の電解質膜の含水量を所定量以下に保つことができ、次回始動時の始動性を確保することができる。
【００５８】
以下では、図３から図９を参照して電解質膜の含水分布の推定方法について説明した後、図１０を参照して本実施形態による停止後パージ制御について説明する。
【００５９】
図３は、電解質膜の含水分布の推定方法について説明する図である。
【００６０】
図３に示すように、カソードガスの流れ方向に沿った電解質膜の各位置での含水量を比較すると、電解質膜の各位置での含水量はカソードガスの出口マニホールドに行くほど多くなる。
【００６１】
そして、電解質膜の含水分布は、燃料電池スタック１の内部での生成水の水収支に影響を与える各種のパラメータの変化に応じて、燃料電池システム１００の運転中に時々刻々と変化する。具体的には、出力電流、スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ（カソードガス流量）及び外気湿度の変化に応じて、電解質膜の含水分布は変化する。なお、ストイキレシオとは、燃料電池スタック１の出力電流を目標電流にするために理論上必要なカソードガス流量と、実際に燃料電池スタック１に供給しているカソードガス流量と、の比である。ストイキレシオが大きいときほど、理論上必要なカソードガス流量に対して実際に燃料電池スタック１に供給しているカソードガス流量が多くなる。
【００６２】
図３に示すように、カソードガスの入口マニホールドから出口マニホールドにかけての電解質膜の含水分布は、出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオ（カソードガス流量）に応じて変化する。
【００６３】
これは、出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオに応じて、発電によって生じる生成水量が変化すると共に、カソードガスによって水蒸気として燃料電池スタック１の外部に排出される生成水量が変化するためである。
【００６４】
また、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０は、外気湿度（Relative Humidity）に応じて変化する。
【００６５】
これは、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの加湿量、すなわち、ＷＲＤ３６による加湿量と大気中に含まれる水分量（外気湿度）との和によって変化するためである。
【００６６】
図４から図８は、出力電流、スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度のそれぞれが変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００６７】
図４は、スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、出力電流が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００６８】
図４に示すように、出力電流が大きくなるほど、電解質膜の含水分布は大きくなる。
【００６９】
図５は、出力電流、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、スタック温度が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００７０】
図５に示すように、スタック温度が高くなるほど、電解質膜の含水分布は小さくなる。
【００７１】
図６は、出力電流、スタック温度、ストイキレシオ及び外気湿度が一定と仮定した場合に、カソード圧が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００７２】
図６に示すように、カソード圧が高くなるほど、電解質膜の含水分布は大きくなる。
【００７３】
図７は、出力電流、スタック温度、カソード圧及び外気湿度が一定と仮定した場合に、ストイキレシオが変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００７４】
図７に示すように、ストイキレシオが大きくなるほど、電解質膜の含水分布は小さくなる。
【００７５】
図８は、出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオが一定と仮定した場合に、外気湿度が変化したときの電解質膜の含水分布の変化の傾向を示す図である。
【００７６】
図８に示すように、外気湿度が高くなるほど、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０は多くなる。
【００７７】
このように、出力電流、スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ及び外気湿度が分かれば、それらの変化による電解質膜の含水分布の変化を総合的に考慮することで、電解質膜の含水分布を推定することができる。
【００７８】
ここで、出力電流、スタック温度及びカソード圧は、それぞれ電流センサ５１、水温センサ４６及び圧力センサ３７によって検出することができる。また、ストイキレシオは、エアフローセンサ３５によってカソードガス流量を検出することで、算出することができる。
【００７９】
一方で、外気湿度については、本実施形態では湿度センサを設けていないので、推定する必要がある。そこで本実施形態では、以下のようにして外気湿度を推定する。
【００８０】
図９は、外気湿度の推定方法について説明する図である。
【００８１】
図９に実線Ａで示すように、燃料電池システム１００の始動時には、前回停止時に行われた停止後パージ運転によって、電解質膜の含水分布はほとんどついていない状態（つまりλ０≒λ１≒…≒λ８≒λ９）になっていると考えられる。そして、実線Ｂで示すように、燃料電池システム１００の運転条件に応じてこのような初期状態から徐々に含水分布がついていく。
【００８２】
ここで、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの加湿量、すなわち、ＷＲＤ３６による加湿量と大気中に含まれる水分量（外気湿度）との和に依存する。
【００８３】
したがって、外気湿度を０［％］（基準湿度）と仮定すると、電解質膜の含水分布は、図９に破線で示すように、実際の含水分布に比べて外気湿度分だけ下がる形となる。そうすると、ＷＲＤ３６による加湿量は分かるので、外気湿度を０［％］と仮定したときの電解質膜の含水分布を推定することは可能である。
【００８４】
そこで本実施形態では、外気湿度を０［％］と仮定したとき、すなわち、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０がＷＲＤ３６による加湿量と仮定したときの燃料電池スタック１の内部インピーダンスを、電解質膜の含水分布に応じて予め実験等によって算出しておき、マップとしてコントローラ５に記憶させておく。
【００８５】
そして、ＷＲＤ３６による加湿量と、運転条件（出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオ）と、に応じて、外気湿度を０［％］と仮定したときの電解質膜の含水分布を推定し、その推定した電解質膜の含水分布から燃料電池スタック１の内部インピーダンスの暫定値を算出する。
【００８６】
そしてさらに、この内部インピーダンスの暫定値を、実際に検出した内部インピーダンスと比較する。外気湿度が０［％］でなければ、内部インピーダンスの暫定値と内部インピーダンスの実際値との間に乖離が生じるので、その差分から外気湿度を推定することができる。
【００８７】
図１０は、本実施形態による停止後パージ制御について説明するフローチャートである。
【００８８】
ステップＳ１において、コントローラ５は、各種センサの検出信号を読み込む。
【００８９】
ステップＳ２において、コントローラは、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの実際値を算出する。本実施形態では、公知の交流インピーダンス法によって燃料電池スタック１の内部インピーダンスの実際値を算出する。
【００９０】
ステップＳ３において、コントローラ５は、停止後パージ実施中フラグＦｐｕｒｇｅが１に設定されているか否かを判定する。停止後パージ実施中フラグは、停止後パージ実施中に１に設定されるフラグであり、初期値は０に設定される。コントローラ５は、停止後パージ実施中フラグが０であれば、ステップＳ４の処理を行う。一方、停止後パージ実施中フラグが１であれば、ステップＳ６の処理を行う。
【００９１】
ステップＳ４において、コントローラ５は、電解質膜の含水分布推定処理を実施する。含水分布推定処理の詳細については、図１１を参照して後述する。
【００９２】
ステップＳ５において、コントローラ５は、燃料電池システム１００が停止されたか否かを判定する。具体的には、始動キーがオフにされたか否かを判定する。コントローラ５は、燃料電池システム１００が運転中であれば、今回の処理を終了する。一方、燃料電池システム１００が停止されていれば、ステップＳ６の処理を行う。
【００９３】
ステップＳ６において、コントローラ５は、停止後パージ処理を実施する。停止後パージ処理の詳細については、図１３を参照して後述する。
【００９４】
図１１は、電解質膜の含水分布推定処理について説明するフローチャートである。
【００９５】
ステップＳ４１において、コントローラ５は、電解質膜の含水分布が全くついていない状態（つまりλ０＝λ１＝…＝λ８＝λ９）を初期状態とし、出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオに基づいて、カソードガスの入口マニホールドから出口マニホールドにかけての電解質膜の含水分布を推定する。具体的には、出力電流、スタック温度、カソード圧及びストイキレシオに基づいて、図４から図７に示した電解質膜の含水分布の変化の傾向からカソードガスの入口マニホールドから出口マニホールドにかけての電解質膜の含水分布を推定する。
【００９６】
ステップＳ４２において、コントローラ５は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、ＷＲＤ３６によるカソードガスへの加湿量を算出する。ＷＲＤ３６によるカソードガスへの加湿量は、燃料電池システムの運転状態に応じて予め実験等によって求めておき、それをマップとしてコントローラ５に記憶させておくことで算出することができる。
【００９７】
ステップＳ４３において、コントローラ５は、カソードガスの入口マニホールドから出口マニホールドにかけての推定した電解質膜の含水分布と、ＷＲＤ３６による加湿量と、に基づいて、予めコントローラ５に記憶させておいたマップを参照することで燃料電池スタック１の内部インピーダンスの暫定値を算出する。
【００９８】
ステップＳ４４において、コントローラ５は、内部インピーダンスの暫定値と実際値との差分を算出する。
【００９９】
ステップＳ４５において、コントローラ５は、内部インピーダンスの暫定値と実際値との差分に基づいて、図１２のテーブルを参照して外気湿度を算出する。図１２は、内部インピーダンスの暫定値と実際値との差分に基づいて外気湿度を算出するテーブルであり、差分が大きくなるほど、外気湿度は高くなる。
【０１００】
ステップＳ４６において、コントローラ５は、ＷＲＤ３６による加湿量と外気湿度とから、カソードガスの入口マニホールド側の位置における電解質膜の含水量λ０を算出し、最終的な電解質膜の含水分布を推定する。
【０１０１】
図１３は、停止後パージ処理について説明するフローチャートである。
【０１０２】
ステップＳ６１において、コントローラ５は、電解質膜の含水分布に基づいて、図１４のテーブルを参照して停止後パージ運転を終了する目標内部インピーダンスの値を算出する。図１４は、電解質膜の含水分布に基づいて目標内部インピーダンスの値を算出するテーブルであり、電解質膜の含水分布が大きいときほど、目標内部インピーダンスを大きくする。
【０１０３】
ステップＳ６２において、コントローラ５は、停止後パージ運転を開始する。具体的には、カソードコンプレッサ３４を駆動することで、電解質膜を乾燥させる。
【０１０４】
ステップＳ６３において、コントローラ５は、内部インピーダンスの実際値が目標内部インピーダンス以上になったか否かを判定する。コントローラ５は、内部インピーダンスの実際値が目標内部インピーダンスより小さければ、ステップＳ６４の処理を行う。一方で、内部インピーダンスの実際値が目標内部インピーダンス以上であれば、ステップＳ６４の処理を行う。
【０１０５】
ステップＳ６４において、コントローラ５は、停止後パージ実施中フラグＦｐｕｒｇｅを１に設定する。
【０１０６】
ステップＳ６５において、コントローラ５は、停止後パージ運転を終了する。
【０１０７】
ステップＳ６６において、コントローラ５は、停止後パージ実施中フラグＦｐｕｒｇｅを０に設定する。
【０１０８】
次に本実施形態による作用効果について説明する。
【０１０９】
本実施形態では、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが目標内部インピーダンス以上になったときに、停止後パージ運転を終了する。このとき、燃料電池システム１００の運転状態、すなわち燃料電池スタック１の内部における水収支に影響を与える各種パラメータの状態に応じて電解質膜の含水分布を推定し、電解質膜の含水分布が大きいときほど目標内部インピーダンスが大きくなるようにした。
【０１１０】
燃料電池スタック１の内部インピーダンスは、電解質膜の含水量が同じでも、電解質膜の含水分布が大きくなるほど高くなる。したがって、電解質膜の含水分布が大きいときほど目標内部インピーダンスが大きくなるようすることで、停止後パージ運転の終了時における電解質膜の含水量のばらつきを抑制することができる。
【０１１１】
これにより、電解質膜の加湿潤又は過乾燥を抑制することができるので、周囲の環境温度にかかわらず、燃料電池システム１００を確実かつ早期に起動することができる。
【０１１２】
また、本実施形態では、電解質膜の含水分布を推定するために必要な外気湿度を、出力電流、スタック温度、カソード圧、ストイキレシオ（カソードガス流量）及び内部インピーダンスに応じて推定することとした。
【０１１３】
これにより、外気湿度を検出するセンサが不要となるので、燃料電池システム１００のコストを抑えることができる。
【０１１４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、燃料電池システム１００の運転状態が過渡状態のときに、電解質膜の含水分布を補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【０１１５】
図１５は、出力電流が変化したとき、すなわち定常状態から過渡状態に移行し、再び定常状態に至るまでの出力電圧の変化の様子を示した図である。
【０１１６】
図１５に示すように、時刻ｔ２で出力電流がＩ１からＩ２に増加すると、出力電流の増加に対応して出力電圧が低下する。このとき、出力電圧は、時刻ｔ２で一旦Ｖ２まで低下した後、所定の時間をかけて徐々に増加し、時刻ｔ４で負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する出力電圧Ｖ４になる。
【０１１７】
図１６は、図１５の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３及びｔ４における電解質膜の含水分布を示した図である。
【０１１８】
図１６に示すように、出力電流Ｉ１からＩ２に増加したことで、電解質膜の含水分布は、出力電流Ｉ１に対応する含水分布（時刻ｔ１における含水分布）から、出力電流Ｉ２に対応する含水分布（時刻ｔ４における含水分布）へと徐々に変化する。
【０１１９】
このように、出力電流は、過渡状態の間（時刻ｔ２〜時刻ｔ４）も一定であるが、電解質膜の含水分布は、出力電圧と同様に過渡状態の間に負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する含水分布へ向けて徐々に変化する。
【０１２０】
そこで本実施形態では、燃料電池システム１００の運転状態が過渡状態のときは、過渡状態になってからの経過時間に応じて、電解質膜の含水分布を補正することとした。以下、この本実施形態による電解質膜の含水分布推定処理について説明する。
【０１２１】
図１７は、本実施形態による電解質膜の含水分布推定処理について説明するフローチャートである。
【０１２２】
ステップＳ４１からステップＳ４６までは、第１実施形態と同様の処理を実施するので、ここでは説明を省略する。
【０１２３】
ステップＳ４７において、コントローラ５は、含水分布補正処理を実施する。含水分布補正処理の詳細については、図１８を参照して後述する。
【０１２４】
図１８は、含水分布補正処理について説明するフローチャートである。
【０１２５】
ステップＳ４７１において、コントローラ５は、出力電流の今回値と前回値との差分（以下「出力電流差分値」という。）を算出する。
【０１２６】
ステップＳ４７２において、コントローラ５は、出力電流が変化したか否かを判定する。具体的には、出力電流差分値が所定値以上か否かを判定し、出力電流差分値が所定値以上であれば、出力電流が変化したと判定する。コントローラ５は、出力電流が変化していなければステップＳ４７３の処理行う。一方で、出力電流が変化していればステップＳ４７４の処理を行う。
【０１２７】
ステップＳ４７３において、コントローラ５は、過渡フラグＦｔｒａが１に設定されているか否かを判定する。過渡フラグＦｔｒａは、過渡状態の間は１に設定されるフラグであり、初期値は０に設定される。コントローラは、過渡フラグＦｔｒａが１に設定されていれば、ステップＳ４７６の処理を行う。一方で、過渡フラグＦｔｒａが０に設定されていれば、今回の処理を終了する。
【０１２８】
ステップＳ４７４において、コントローラ５は、過渡フラグＦｔｒａを１に設定する。
【０１２９】
ステップＳ４７５において、コントローラ５は、図１９のテーブルを参照し、出力電流差分値に基づいて、出力電圧が負荷変動後の出力電流に対応する電圧値になるまでに必要な時間（以下「過渡状態時間」という。）を算出する。図１９のテーブルは、出力電流差分値と、出力電圧が負荷変動後の出力電流に対応する電圧値になるまでに必要な時間と、の関係を予め実験等によって求めて算出したものである。図１９のテーブルに示すように、過渡状態時間は、出力電流差分値が小さいときは短く、出力電流差分値が大きくなるにしたがって長くなる。
【０１３０】
ステップＳ４７６において、コントローラ５は、過渡状態になってからの経過時間を算出する。具体的には、経過時間の前回値に演算周期を加算する。経過時間の初期値は０に設定される。
【０１３１】
ステップＳ４７７において、コントローラ５は、過渡状態になってからの経過時間が過渡状態時間以上になったか否かを判定する。コントローラ５は、経過時間が過渡状態時間よりも短ければステップＳ４７８の処理を行う。一方で、経過時間が過渡状態時間以上になっていればステップＳ４７９の処理を行う。
【０１３２】
ステップＳ４７８において、コントローラ５は、電解質膜の含水分布が過渡状態時間の経過後にステップＳ４６で推定した含水分布となるように、過渡状態になってからの経過時間に応じて電解質膜の含水分布を補正する。
【０１３３】
ステップＳ４７９において、コントローラ５は、過渡フラグＦｔｒａを０に設定する。
【０１３４】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、過渡状態のときに燃料電池システム１００が停止されたとしても、精度良く電解質膜の含水分布を推定することができる。
【０１３５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、過渡状態におけるスタック温度の変化を利用して、過渡状態での電解質膜の含水分布を推定する点で第２実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１３６】
図２０は、出力電流が変化したとき、すなわち定常状態から過渡状態に移行し、再び定常状態に至るまでのスタック温度の変化の様子を示した図である。図２１は、図２０の時刻ｔ１、ｔ２及びｔ３における電解質膜の含水分布を示した図である。
【０１３７】
図２０及び図２１に示すように、出力電流が変化したときは、第２実施形態で説明した出力電圧以外にもスタック温度が徐々に変化し、スタック温度の変化に対応して電解質膜の含水分布も変化する。
【０１３８】
そこで本実施形態では、図２２のテーブルを参照し、出力電流差分値に基づいて、スタック温度が負荷変動後の出力電流に対応する温度になるまでに必要な時間（過渡状態時間）を算出する。図２２のテーブルは、出力電流差分値と、スタック温度が負荷変動後の出力電流に対応する温度になるまでに必要な時間と、の関係を予め実験等によって求めて算出したものである。
【０１３９】
このようにすることで、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１４０】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、出力電流差分値の大きさに応じて、図１９のテーブルを参照して過渡状態時間を算出するか、又は、図２２のテーブルを参照して過渡状態時間を算出するかを切り替える点で第２及び第３実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１４１】
図２３は、出力電流の変動幅が相対的に小さいとき、すなわち出力電流差分値が小さいときのスタック温度及び出力電圧の変化の様子を示した図である。図２４は、出力電流の変動幅が相対的に大きいときのスタック温度及び出力電圧の変化の様子を示した図である。
【０１４２】
図２３に示すように、出力電流差分値が小さいときは、出力電圧がすぐに負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する電圧値Ｖ２になるのに対して、スタック温度が負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する温度Ｔ２になるまでには時間がかかる。
【０１４３】
一方で、図２４に示すように、出力電流差分値が大きいときは、スタック温度が負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する温度Ｔ２になるまでに必要な時間よりも、出力電圧が負荷変動後の出力電流Ｉ２に対応する電圧値Ｖ２になるまでに必要な時間の方が長くなる。
【０１４４】
このように、出力電流が変化したときは、出力電圧及びスタック温度のそれぞれが変化するが、それぞれの値が負荷変動後の出力電流に対応する値になるまでに必要な時間は、出力電流差分値に応じて変化する。
【０１４５】
そこで本実施形態では、負荷変動後の出力電流に対応する値になるまでに必要な時間が長い方に基づいて、電解質膜の含水分布を補正する。
【０１４６】
図２５は、本実施形態による含水分布補正処理について説明するフローチャートである。
【０１４７】
ステップＳ４７１からステップＳ４７９までは、第２実施形態と同様の処理を実施するので、ここでは説明を省略する。
【０１４８】
ステップＳ４８０において、コントローラ５は、出力電流差分値が所定値以上か否かを判定する。コントローラ５は、出力電流差分値が所定値よりも小さければステップＳ４８１の処理を行う。一方で、出力電流差分値が所定値以上であればステップＳ４８２の処理を行う。
【０１４９】
ステップＳ４８１において、コントローラ５は、前述した図２２のテーブルを参照して、スタック温度が負荷変動後の出力電流に対応する温度になるまでに必要な時間を算出し、これを過渡状態時間とする。
【０１５０】
ステップＳ４８２において、コントローラ５は、前述した図１９のテーブルを参照して、出力電圧が負荷変動後の出力電流に対応する電圧値になるまでに必要な時間を算出し、これを過渡状態時間とする。
【０１５１】
以上説明した本実施形態によれば、出力電流の変動幅に応じて、過渡状態における電解質膜の含水分布を補正するときの指標を変えることとした。これにより、過渡状態のときに燃料電池システム１００が停止されたときの電解質膜の含水分布を、より精度良く推定することができる。
【０１５２】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【０１５３】
例えば、上記各実施形態では外気湿度を推定していたが、湿度センサを設けて外気湿度を検出しても良い。
【０１５４】
また、上記各実施形態では燃料電池システムの停止時の含水分布に基づいて、目標内部インピーダンスの値を決定していたが、停止後パージ運転中も電解質膜の含水分布を逐次推定し、その推定した含水分布に基づいて目標内部インピーダンスの値を決定しても良い。
【符号の説明】
【０１５５】
１ 燃料電池スタック（燃料電池）
１００ 燃料電池システム
Ｓ４ 含水分布推定手段
Ｓ６ 停止後パージ手段
Ｓ４１〜Ｓ４５ 外気湿度推定手段
Ｓ４３ 内部抵抗暫定値算出手段
Ｓ４７ 含水分布補正手段
Ｓ４７２ 過渡状態判定手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、
前記燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記燃料電池の電解質膜の含水分布を推定する含水分布推定手段と、
前記燃料電池システムの停止後に、前記燃料電池を乾燥させる停止後パージ運転を実施する停止後パージ手段と、
を備え、
前記停止後パージ手段は、
前記停止後パージ運転終了時の内部抵抗の目標値を、前記電解質膜の含水分布に基づいて算出し、
前記燃料電池の内部抵抗が前記目標値以上となったときに、前記停止後パージ運転を終了させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記停止後パージ手段は、
前記電解質膜の含水分布が大きいときほど、前記目標値を大きくする、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記含水分布推定手段は、
前記燃料電池内の水収支に影響与えるパラメータに基づいて、その燃料電池の電解質膜の含水分布を推定する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記パラメータは、
前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池の温度、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量及び外気湿度の少なくとも１つである、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記含水分布推定手段は、
前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池の温度、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量の少なくとも１つと、前記燃料電池の内部抵抗と、に基づいて外気湿度を推定する外気湿度推定手段を備える、
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記外気湿度推定手段は、
前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池の温度、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量の少なくとも１つに基づいて、外気湿度が基準湿度であると仮定したときの電解質膜の含水分布を算出し、その算出した電解質膜の含水分布における前記燃料電池の内部抵抗を算出する内部抵抗暫定値算出手段を備え、
前記内部抵抗暫定値算出手段によって算出した内部抵抗の暫定値と、前記内部抵抗算出手段によって算出した内部抵抗の実際値と、の差分に基づいて外気湿度を推定する、
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池システムの運転状態が過渡状態であるか否かを判定する過渡状態判定手段と、
過渡状態と判定したときは、過渡時における前記燃料電池の出力電圧の変化に応じて前記燃料電池の電解質膜の含水分布を補正する含水分布補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムの運転状態が過渡状態であるか否かを判定する過渡状態判定手段と、
過渡状態と判定したときは、過渡時における前記燃料電池の冷却水温の変化に応じて前記燃料電池の電解質膜の含水分布を補正する含水分布補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池システムの運転状態が過渡状態であるか否かを判定する過渡状態判定手段と、
過渡状態と判定したときの負荷変動幅が所定幅以上であれば、過渡時における前記燃料電池の出力電圧の変化に応じて前記燃料電池の電解質膜の含水分布を補正し、過渡状態と判定したときの負荷変動幅が所定幅未満であれば、過渡時における前記燃料電池の冷却水温の変化に応じて前記燃料電池の電解質膜の含水分布を補正する含水分布補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、
前記燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記燃料電池の電解質膜の含水分布を推定する含水分布推定手段と、
前記燃料電池システムの停止後に、前記燃料電池を乾燥させる停止後パージ運転を実施する停止後パージ手段と、
を備え、
前記停止後パージ手段は、
前記停止後パージ運転終了時の内部抵抗の目標値を、前記電解質膜の含水分布に基づいて算出し、
前記燃料電池の内部抵抗が前記目標値以上となったときに、前記停止後パージ運転を終了させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記停止後パージ手段は、
前記電解質膜の含水分布が大きいときほど、前記目標値を大きくする、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記含水分布推定手段は、
前記燃料電池内の水収支に影響与えるパラメータに基づいて、その燃料電池の電解質膜の含水分布を推定する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記パラメータは、
前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池の温度、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量及び外気湿度の少なくとも１つである、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記含水分布推定手段は、
前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池の温度、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量の少なくとも１つと、前記燃料電池の内部抵抗と、に基づいて外気湿度を推定する外気湿度推定手段を備える、
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記外気湿度推定手段は、
前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池の温度、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量の少なくとも１つに基づいて、外気湿度が基準湿度であると仮定したときの電解質膜の含水分布を算出し、その算出した電解質膜の含水分布における前記燃料電池の内部抵抗を算出する内部抵抗暫定値算出手段を備え、
前記内部抵抗暫定値算出手段によって算出した内部抵抗の暫定値と、前記内部抵抗算出手段によって算出した内部抵抗の実際値と、の差分に基づいて外気湿度を推定する、
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池システムの運転状態が過渡状態であるか否かを判定する過渡状態判定手段と、
過渡状態と判定したときは、過渡時における前記燃料電池の出力電圧の変化に応じて前記燃料電池の電解質膜の含水分布を補正する含水分布補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムの運転状態が過渡状態であるか否かを判定する過渡状態判定手段と、
過渡状態と判定したときは、過渡時における前記燃料電池の冷却水温の変化に応じて前記燃料電池の電解質膜の含水分布を補正する含水分布補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池システムの運転状態が過渡状態であるか否かを判定する過渡状態判定手段と、
過渡状態と判定したときの負荷変動幅が所定幅以上であれば、過渡時における前記燃料電池の出力電圧の変化に応じて前記燃料電池の電解質膜の含水分布を補正し、過渡状態と判定したときの負荷変動幅が所定幅未満であれば、過渡時における前記燃料電池の冷却水温の変化に応じて前記燃料電池の電解質膜の含水分布を補正する含水分布補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１３−１１４９９２（Ｐ２０１３−１１４９９２Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６２１９４（Ｐ２０１１−２６２１９４）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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