(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のインピーダンスを計測して前記燃料電池に残留する水分を推測する燃料電池システムにおいて、
前記インピーダンスの計測が必要とされる場合に、前記インピーダンスの計測が不可能な状態であるか否かを判定する判定手段と、
前記インピーダンスの計測が不可能な状態であると判定した場合に予め定めた待ち時間の経過後に前記インピーダンスの計測を行う待機手段と、を備え、
前記判定手段は、前記インピーダンスの計測が不可能な状態として、
１）前記燃料電池へのエア供給が停止された状態でシステム停止が要求された状態、および、
２）前記燃料電池へのエア供給が再開された時から所定の一定時間が経過していない状態、
の少なくとも１つであることを判定し、
前記予め定めた待ち時間は、正常にシステムが稼働している状態において、停止していたエア供給が再開された時から、前記インピーダンスの計測に要する電力を前記燃料電池が発電可能となる時までの時間より長い時間に設定される、
燃料電池システム。
【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係り、特に燃料電池の残量水分量を把握するためのインピーダンス計測に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部温度が低い場合には、燃料電池システムの停止後に、その内部に残存していた水が凍結し、配管や弁などを痛めることがある。これを防止するために、燃料電池システムの停止時に掃気処理を行なうことで燃料電池内部に溜まった水分を外部に排出する方法が提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池の内部水分量は、燃料電池のインピーダンスと相関関係があるので、従来から、燃料電池のインピーダンスを計測することにより、間接的に燃料電池内部の水分量を把握し、掃気処理を終了するタイミングを推測することが行なわれている（特許文献１：段落００３８〜００４８）。
【０００３】
また、運転停止時に、計測したガス流路残留水分によりガス流路のガス圧を判定して必要なら除去処理を行い、また、計測した電解質膜の抵抗値により電解質膜残留水分を判定して必要なら電界質膜の加湿処理を行い、前記２つの判定に共にパスした時に最適水分残留条件が成立したものとして運転を停止する燃料電池装置が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−１４１９４３号公報
【特許文献２】特開２００５−２０９６３４公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記背景技術で述べた従来の燃料電池システムにあっては、停止指令によりエア供給が停止された後に、燃料電池のインピーダンスの計測が可能な状態であるか否かを確認するものではなく、エア供給停止直後にインピーダンス計測指令が出されている。
【０００５】
しかしながら、エア供給の停止指令が出た直後には、例えば先行していたリフレッシュ処理等の影響により、エア不足となっていて燃料電池の出力電力がインピーダンス計測に必要な電力を確保できておらず、このためインピーダンスの計測が不可能になるという事態が生じることがある。
【０００６】
従来は、このような事情が考慮されておらず、よって、インピーダンスの計測が正確には行われず、ひいては燃料電池システムに残留する水分量の推定が正確になされていないという問題点があった。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、インピーダンス計測不可能な状態を排除し、適切なインピーダンスの計測を行うことができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のインピーダンスを計測して該燃料電池に残留する水分を推測する燃料電池システムにおいて、前記インピーダンスの計測が必要とされる場合に、前記インピーダンスの計測が不可能な状態であるか否かを判定する判定手段と、前記インピーダンスの計測が不可能な状態であると判定した場合に予め定めた待ち時間の経過後に前記インピーダンスの計測を行う待機手段と、を備え、前記判定手段は、前記インピーダンスの計測が不可能な状態として、１）前記燃料電池へのエア供給が停止された状態でシステム停止が要求された状態、および、２）前記燃料電池へのエア供給が再開された時から所定の一定時間が経過していない状態、の少なくとも１つであり、前記予め定めた待ち時間は、正常にシステムが稼働している状態において、停止していたエア供給が再開された時から、前記インピーダンスの計測に要する電力を前記燃料電池が発電可能となる時までの時間より長い時間に設定されることを特徴とする。
【０００９】
上記のように構成することにより、燃料電池に残留する水分量（以下「含水量」ともいう。）を推測する必要がある場合であっても、まずインピーダンスの計測が不可能な状態であるかが判定され、不可能な状態である場合には所定の待ち時間待機してからインピーダンスの計測が許可されるので、インピーダンス計測が可能な、または、インピーダンス計測に適する状態に復帰させることができる。よって、インピーダンス計測に不適当な状態でインピーダンス計測を試みることにより、不正確な含水量を推測したり、インピーダンス計測が失敗したりすることを抑制可能である。
ここで、「インピーダンスの計測に不適当な状態」とは、インピーダンスの計測が不可能な状態である場合を含む他、インピーダンスの計測は可能であるもののインピーダンスの計測に最適とはいえないため、予めインピーダンスを計測する条件から排除しておくような場合を含む趣旨である。
例えば、上記１）の状態であると判定することにより、エア供給停止が解除された直後にシステム停止要求が出されたことが検出されるので、エア不足となっていることを適切に判定し、この期間を避けてインピーダンス計測を行うことが可能である。
例えば、上記２）の状態であると判定することにより、エア供給停止が解除されてから一定期間が過ぎていないため、エア不足となっており、インピーダンス計測が不可能であることを適切に判定するので、発電電力不足の状態でインピーンダス計測が試みられることを回避することが可能である。
また、予め定めた待ち時間を上記のように設定することにより、システムの要請によりエア供給を停止していたような場合（触媒活性化処理等）にインピーダンス計測が要求されたとしても、エア供給停止直後のエア不足期間を避け、停止していたエア供給が再開されることによって燃料電池がインピーダンス計測可能な電力を回復するまで待ってからインピーダンス計測が行われるので、正確なインピーダンス計測を行うことが可能となり、ひいては掃気処理が必要か否かの正確な判断が可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、インピーダンスの計測に不適当な状態である場合、予め定めた待ち時間の経過後にインピーダンスの計測を行うので、インピーダンス計測不可能な状態を排除し、適切なインピーダンスの計測を行い、正しく残留水分量を把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の燃料電池システムの最良の実施形態について、〔第１の実施形態〕、〔第２の実施形態〕の順に図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態では、一例として電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムについて説明する。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１に供給する燃料ガス配管系１０と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１に供給する酸化ガス配管系２０と、燃料電池に冷媒を供給して燃料電池１を冷却する冷媒配管系３０と、システムの電力を充放電する電力系４０と、システム全体の状態の監視および制御を行なう制御部５０とを備えている。
【００２２】
燃料電池１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、セル（単セル）を複数積層したスタック構造となっている。各セルは、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)とから構成される。ＭＥＡは、高分子電解質膜を燃料極及び空気極の二つの電極で挟み込んだ構造をしている。燃料極は、燃料極用触媒層と多孔質支持層の積層構造からなる。空気極は、空気極用触媒層と多孔質支持層の積層構造からなる。燃料電池は、水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、陰極（カソード）である燃料極側には燃料ガスである水素ガスが供給され、陽極（アノード）である空気極側には酸素を含んだガス（空気）が供給され、燃料極側では式（１）のような反応を、空気極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。
【００２３】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                        …（１）
【００２４】
２Ｈ+＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ      …（２）
【００２５】
燃料ガス配管系１０は、水素ガス供給源１１と、水素ガス供給源１１から燃料電池１に供給される水素ガスが流れる水素ガス供給路（燃料ガス供給路）１２と、燃料電池１から排出された水素オフガスを水素ガス供給路１２に戻すための循環路１３と、循環路１３に設けられた気液分離器１４、水素ポンプ１５及び回収タンク１６と、循環路１３に分岐接続された排出路１７と、を有する。水素ガスは、水素ガス供給路１２を通じて供給されるほか、循環路１３を通じて供給される。
【００２６】
水素ガス供給源（燃料ガス供給源）１１は、高圧水素タンク、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、液体水素タンク、液化燃料タンク等により構成される。水素ガス供給源１１の供給口には、元弁ＳＶ１が設けられている。制御部５０の制御信号によって元弁ＳＶ１の開閉が制御され、水素ガスを水素ガス供給路１２に供給するかまたは遮断するかが選択される。
【００２７】
水素ガス供給路１２には調圧弁ＲＧが設けられている。調圧弁ＲＧの調整量は、空気極側のコンプレッサ２２の運転状態によって定まるようになっている。すなわち、制御部５０によるコンプレッサ２２の駆動、遮断弁ＳＶ８及び遮断弁ＳＶ９に対する操作により循環路１３の圧力が調整される。例えば、遮断弁ＳＶ８を開放させることによって調圧弁ＲＧへの供給空気圧を上昇させ水素ガス供給路１２への供給圧力を上昇させ、遮断弁ＳＶ９を開放させることによって調圧弁ＲＧへの供給空気圧を下降させ水素ガス供給路１２への供給圧力を下降させる。
【００２８】
燃料電池入口遮断弁ＳＶ２は、通常運転の際には開放されており、燃料電池システムの停止時やガス漏れ実施の際に制御部５０の制御信号に基づいて閉鎖される。燃料電池出口遮断弁ＳＶ３も、通常運転の際には開放されており、燃料電池システムの停止時に制御部５０からの制御信号に基づいて閉鎖される。燃料電池システムの停止時に圧力センサｐ１は、調圧弁ＲＧよりも上流側における水素ガス供給路１２内の圧力を検出する。圧力センサｐ２は、調圧弁ＲＧよりも下流側における水素ガス供給路１２内の圧力を検出する。
【００２９】
気液分離器１４は、通常運転時において燃料電池１の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、気液分離器用遮断弁ＳＶ４を通じて外部に放出するものである。水素ポンプ１５は、制御部５０からの制御信号に基づいて、循環路１３中に水素ガスを強制循環させる。特に、循環路１３は発電停止時にも水素ガスを強制的に送り出し回収タンク１６内に蓄積させるように動作する。
【００３０】
排出路１７には、パージ遮断弁ＳＶ５が設けられている。制御部５０からの制御信号に基づいて、パージ遮断弁ＳＶ５が通常運転時に適宜開くことにより、水素オフガス中の水分その他の不純物が水素オフガスとともに希釈器１８に排出される。パージ遮断弁ＳＶ５を開くことにより、循環路１３中の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。また、パージ遮断弁ＳＶ５は、燃料電池システムの停止時には開放され、循環路１３内の圧力を下げるようになっている。
【００３１】
回収タンク１６は、循環路１３内に滞留している水素を貯留可能な容積を備え、発電停止時には水素ポンプ１５の駆動により循環路１３中に滞留している水素ガスを貯留するようになっている。循環路遮断弁ＳＶ６は、通常運転時には開放されているが、発電停止時においてバッファタンク１６に水素ガスが貯留された後は酸化ガス配管系２０の制御信号によって遮断されるようになっている。また、始動時にバッファタンク１６内の水素ガスが消費されるまでの間も閉鎖されるようになっている。
【００３２】
酸化ガス配管系２０は、エアクリーナ２１と、コンプレッサ２２と、加湿器２３を備えている。エアクリーナ２１は、外気を浄化して燃料電池システムに取り入れる。コンプレッサ２２は、取り入れられた空気を制御部５０の制御信号に基づいて圧縮することによって燃料電池１に供給される空気量や空気圧を変更するようになっている。加湿器２３は圧縮された空気と空気オフガスとの間で水分の交換を行なって適切な湿度を加える。加湿器２３による圧縮された空気の加湿の度合いは調整可能である。このため、後述するように、酸化ガス配管系２０を用いて燃料電池１の掃気処理が行われる。掃気処理とは、燃料電池１にガスを供給し、供給したガスとともに燃料電池２内の水分を外部に排出させる処理をいう。コンプレッサ２２により圧縮された空気の一部は調圧弁ＲＧの制御のために供給され、遮断弁ＳＶ８−ＳＶ９間の区間の空気圧が調圧弁ＲＧのダイアフラムに印加されるようになっている。燃料電池１から排出された空気オフガスは希釈器１８に供給され、水素オフガスを希釈するようになっている。
【００３３】
冷媒配管系３０は、ラジエータ３１と、加湿器２３と、冷却水ポンプ３３とを備え、冷却水が燃料電池１内部に循環供給されるようになっている。
【００３４】
電力系４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、バッテリ４２と、インバータ４３と、トラクションモータ４４とを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ４２から入力された直流電圧を調整してインバータ４３側に出力する機能と、燃料電池１又はトラクションモータ４４から入力された直流電圧を調整してバッテリ４２に出力する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１のこれらの機能により、バッテリ４２の充放電が実現される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１により、燃料電池１の出力電圧が制御される。
【００３５】
バッテリ４２は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。その他、種々のタイプの二次電池を適用することができる。また、バッテリ４２に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。バッテリ４２は、燃料電池１の充放電経路に挿入され、燃料電池１と並列接続されている。インバータ４３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ４４に供給する。トラクションモータ４４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システムが搭載される例えば車両の主動力源を構成する。
【００３６】
制御部５０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、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、後述するインピーダンス計測および掃気制御など、種々の処理や制御を行なう。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。制御部５０は、燃料ガス配管系１０、酸化ガス配管系２０及び冷媒配管系３０に用いられる各種のセンサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。制御部５０は、各センサ信号を利用して以下に示す燃料電池１のインピーダンス計測を行い、計測結果に基づき掃気制御を行なう。
【００３７】
図２は、インピーダンス計測及び掃気制御を行なう制御部５０の機能ブロック図である。
図２に示すように、制御部５０は、目標電圧決定部５１、重畳信号生成部５２、電圧指令信号生成部５３、インピーダンス計測許可部５４、インピーダンス計測部５５、および掃気処理制御部５６を備えている。
【００３８】
目標電圧決定部５１は、燃料電池１に対する出力目標電圧（例えば３００Ｖなど）を決定し、これを電圧指令信号生成部５３に出力する。この出力目標電圧は、燃料電池１の出力端子電圧の制御目標値であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の二次側電圧の目標値でもある。
【００３９】
重畳信号生成部５２は、出力目標電圧に重畳すべきインピーダンス計測用信号（例えば、振幅値２Ｖの低周波領域のサイン波など）を生成し、これを電圧指令信号生成部５３に出力する。なお、出力目標電圧やインピーダンス計測用信号の各パラメータ（波形の種類、周波数、振幅値）は、システム設計などに応じて適宜設定すればよい。
【００４０】
電圧指令信号生成部５３は、出力目標電圧にインピーダンス計測用信号を重畳し、電圧指令信号ＶｆｃｒとしてＤＣ／ＤＣコンバータ４１に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、与えられる電圧指令信号Ｖｆｃｒに基づき二次側電圧、すなわち燃料電池１の出力電圧制御を行なう。
【００４１】
インピーダンス計測許可部５４は、本発明に係る機能ブロックであり、燃料電池１のインピーダンスの計測に不適当な状態である場合に、予め定めた待ち時間の経過後に該インピーダンスの計測を行うようにインピーダンス計測部５５を制御可能に構成されている。詳しくは後述する。
【００４２】
インピーダンス計測部５５は、電圧センサ４５によって検出される燃料電池１の電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆ及び電流センサ４６によって検出される燃料電池１の電流（ＦＣ電流）Ｉｆを所定のサンプリングレートでサンプリングし、フーリエ変換処理（ＦＦＴ演算処理やＤＦＴ演算処理）などを施す。インピーダンス演算部５４は、フーリエ変換処理後のＦＣ電圧信号をフーリエ変換後のＦＣ電流信号で除するなどして燃料電池１のインピーダンスを求める。さらに、インピーダンス計測部５５は、メモリに格納されているインピーダンス基準値Ｚ０を参照する。インピーダンスが高いほど、燃料電池内の水分量が少ない。インピーダンス基準値Ｚ０は、燃料電池内での水の凍結等を防ぐために設定されるインピーダンスの下限値である。インピーダンス基準値Ｚ０は、環境温度毎に設定してメモリに格納しておくことが好ましい。インピーダンス計測部５５は、計測された燃料電池１のインピーダンス（以下、測定インピーダンスＺ）と、インピーダンス基準値Ｚ０とを比較する。測定インピーダンスＺがインピーダンス基準値Ｚ０よりも低い場合には、燃料電池１内の水分量が多いため、掃気処理を継続すべき旨（又は掃気処理を開始すべき旨）を掃気処理制御部５６に通知する。
【００４３】
システム停止指示後に最初に実施されたインピーダンス計測である場合には、測定インピーダンスＺとインピーダンス基準値Ｚ０との差分から掃気処理で除去すべき燃料電池１の水分量（またはその相対値）を演算し、必要な掃気時間または掃気量、掃気強度等を推測する。
【００４４】
一方、測定インピーダンスＺがインピーダンス基準値Ｚ０よりも高い場合には、燃料電池１内の水分量が少ないため、掃気処理を終了すべき旨（又は掃気処理を最初から実行しない旨）を掃気処理制御部５６に通知する。
【００４５】
掃気処理制御部５６は、インピーダンス比較部５５からの通知内容に沿って掃気制御を実行する。始めから掃気強度が定められている場合には、その掃気強度に対応した回転数で、燃料電池１の含水量に応じて掃気強度を変更可能な場合には、インピーダンス計測部５５が指定した掃気強度に対応した回転数となるよう、掃気処理制御部５６は、コンプレッサ２２を制御する。掃気が開始されることにより、燃料電池１へ乾燥空気が供給されて、燃料電池１の電解質膜に残留している水分が空気とともに排出される。掃気処理中に再度のインピーダンス計測を実施可能に構成されている場合には、その再度のインピーダンス計測の結果に基づいて、掃気処理制御部５５は掃気処理の終了タイミングを把握する。再度のインピーダンス計測を実施しないシステムである場合には、インピーダンス計測部５５により指定された掃気時間が経過したら、掃気処理制御部５５は掃気処理を終了する。
【００４６】
図３に、インピーダンス計測許可部５４の機能ブロックを示す。
図３に示すように、インピーダンス計測許可部５４は、判定手段５４１と待機手段５４２とにより構成される。判定手段５４１は、インピーダンス計測部５５によるインピーダンスの計測が不可能な状態であるか否かを判定する機能ブロックである。待機手段５４２は、判定手段５４１がインピーダンスの計測が不可能な状態であると判定した場合に、予め定めた待ち時間の経過後にインピーダンス計測部５５によるインピーダンスの計測を許可する機能ブロックである。
【００４７】
判定手段５４１は、エアコンプレッサ運転フラグＦａおよび運転モードフラグＦｍを入力しており、運転モードフラグＦｍが停止モード、すなわちシステム停止要求が出された時点で、エアコンプレッサ運転フラグＦａがオフ状態であると、直前までエア供給が停止されていたことを意味し、インピーダンスの計測に足りる電力を燃料電池１が発電できない。よって、判定手段５４１は待機手段５４２に所定の回復期間の待機を指示する。
【００４８】
また判定手段５４１は、電圧センサ４５の検出した燃料電池１の出力電圧Ｖｆを入力しており、この出力電圧Ｖｆが、前記燃料電池システムにおいて、前記インピーダンスの計測が不可能な状態とは、予め定めたしきい値以下となる状態である場合に、燃料電池１に供給されるエアまたは燃料ガスが不足しているものとして、所定の回復期間の待機を待機手段５４２に指示する。この出力電圧Ｖｆに基づく判定は第２の実施形態で説明する。
【００４９】
待機手段５４２は、判定手段５４１がインピーダンス計測不可能と判断した場合に、インピーダンス計測部５５に対してインピーダンスの計測を禁止し、タイマーをスタートさせ、所定の回復期間待ってから、インピーダンスの計測を許可するように構成されている。この回復期間は、燃料電池１へのエア供給が停止されていた場合においてエア供給が再開された時からエアの増加により燃料電池１の発電電力が上昇し、インピーダンス計測に足りる電力量を供給可能となる最低時間以上の長さに設定されている。
【００５０】
次に、上記の燃料電池システムにおける通常運転時の動作を説明する。
通常運転時（燃料電池１の発電時）、当該燃料電池システムでは、元弁ＳＶ１を開放し、水素ガスを水素ガス供給路１２に供給しつつ、遮断弁ＳＶ８及び遮断弁ＳＶ９の開閉により調圧弁ＲＧのダイアフラムにかかる空気圧が調整され、水素ガス供給路１２内の水素ガスの圧力が所望の燃料ガス圧力に制御される。燃料電池入口遮断弁ＳＶ２及び燃料電池出口遮断弁ＳＶ３、循環路遮断弁ＳＶ６及び循環路遮断弁ＳＶ７が開放され、水素ガスが循環路１３内を循環しながら燃料電池１の燃料極に供給される。
【００５１】
並行してコンプレッサ２２が適宜駆動され、加湿器２３で湿度が加えられた空気が燃料電池１の空気極に供給され、空気オフガスが希釈器１８に排出される。適当なタイミングでパージ遮断弁ＳＶ５が開放されて、排出路１７を通って水分等を含んだ水素オフガスが希釈器１８に供給され、空気オフガスによって希釈されて排出される。
以上の発電動作により燃料電池１の電解質膜では水分が生成され、含水量が高まっていく。
【００５２】
次に、上記の燃料電池システムのシステム終了時における動作について説明する。
図４は、本実施形態に係るシステム終了処理における動作を示すフローチャート図である。
燃料電池システムのシステム終了処理は、例えば、自動車に搭載する燃料電池システムである場合にはイグニッションキー（ＩＧ）がオフ（ＯＦＦ）になることにより開始される。なお、自動車に搭載する燃料電池システム以外の場合には、何らかのシステム終了信号を契機として、以下の処理を実行すればよい。
【００５３】
まず、ステップＳ１において、イグニッションキーがオフ状態であるか否かが判定される。イグニッションキーがオフにされると運転モードフラグＦｍが通常モードから停止モードに変更になる。運転モードフラグＦｍが停止モードになっていた場合は（ＹＥＳ）、インピーダンス計測許可部５４の判定手段５４１はステップＳ２に進む。一方、運転モードフラグＦｍが停止モードになっていない場合には（ＮＯ）、システム終了処理時ではないと判断できるので、この処理を終了する。
【００５４】
イグニッションキーがオフになると、制御部５０からの制御信号により元弁ＳＶ１および循環路遮断弁ＳＶ７が閉鎖される。これは、水素ガス供給源１１およびバッファタンク１６からの水素ガスの供給を止めて、発電を停止させるためである。一方、エアの供給の有無はコンプレッサ２２の運転状態によって変動する。システム停止が指示される直前にエアコンプレッサが駆動されていなかった場合、例えば触媒活性化処理（いわゆるリフレッシュ処理）がされていた場合、次の本発明のシステム停止処理が実行される。
【００５５】
ステップＳ２において、システムが停止モードに移行する直前の段階でエアコンプレッサ（空気極側のコンプレッサ２２）が運転されていたか否かが判定される。エアコンプレッサ２２の運転状態は、エアコンプレッサ運転フラグＦａにより判定される。エアコンプレッサ運転フラグＦａがオフ状態であり、エアコンプレッサが直前まで停止状態であった場合（ＹＥＳ）、判定手段５４１はステップＳ３に進む。一方、エアコンプレッサ運転フラグＦａがオン状態であり、運転が継続されていたと判定できる場合には（ＮＯ）、待機する。
【００５６】
ステップＳ３において、判定手段５４１は現時点ではインピーダンス計測に必要な電力が燃料電池１から供給不可能であるため、待機手段５４２に待機のためのタイマーの計測を開始させる。このタイマーで計測される時間は、設定されたエアコンプレッサの回転数でエアの供給を再開した場合に、燃料電池１の発電電力が上昇し、インピーダンス計測に足りる電力量を供給可能となる最低時間Ｔmin以上の期間Ｘであり、最低時間Ｔminに多少のマージンを含んで設定することが好ましい。
【００５７】
ステップＳ４において、タイマーの計測時間がこの所定の期間Ｘに達するまでは（ＮＯ）、待機手段５４２はインピーダンス計測部５５による計測を禁止し続ける。タイマーの計測時間が所定の期間Ｘに達したら（ＹＥＳ）、待機手段５４２はインピーダンス計測部５５によりインピーダンス計測を解禁する。これに対応して、ステップＳ５において、インピーダンス計測部５５は燃料電池１のインピーダンスの計測を実施し、燃料電池１に残存している水分量（含水量）を推測し、掃気処理制御部５６に出力する。
【００５８】
ステップＳ６において、現時点の含水量が掃気処理を要する量を超えているか否かが判定される。その結果、含水量が適正範囲でありそのまま燃料電池システムの運転を停止しても不都合のない程度の量に制御されていれば（ＮＯ）、掃気処理制御部５６はそのまま処理を終了する。一方、含水量が掃気を要する量を超えていれば（ＹＥＳ）、ステップＳ７に移行し、掃気処理制御部５６は含水量が適正範囲に入るまでに必要な掃気時間または掃気量、掃気強度を演算し、演算された回転数で駆動するための駆動信号をコンプレッサ２２に出力し、演算された掃気時間が経過した後、コンプレッサ２２を停止させ、掃気処理を終了する。以上の処理により、燃料電池１の含水量は適正範囲に収束し、システムを停止させることが可能となる。
【００５９】
次に、図５のタイミングチャートを参照しながら、上記システム停止処理におけるフラグ状態とインピーダンス測定の関係を説明する。
時刻ｔ０では燃料電池１は通常モードで運転されている。ここで、時刻ｔ０では燃料電池１の電解質膜の酸化された触媒をリフレッシュし、還元させるための触媒活性化（リフレッシュ）処理が行われているものとする。リフレッシュ処理ではリフレッシュ運転フラグがオン状態となっている。リフレッシュ処理中はエアコンプレッサの運転を停止するため、エアコンプレッサ運転フラグはオフ状態“０”となっている。
【００６０】
時刻ｔ１において、イグニッションキーがオフになって、システム終了処理に移行すると、停止モードに移行する。この時、運転モードフラグＦａは通常モードから停止モードに移行する。同時に、リフレッシュ運転フラグは、オン状態“１”からオフ状態“０”に移行する。また、エアコンプレッサ運転フラグがオフ状態“０”からオン状態“１”に変更され、エアコンプレッサ２２に運転再開指令が出される。
【００６１】
従来のインピーダンス測定およびそれに対応する発電特性を破線で示してある。従来システムでは、この時点（時刻ｔ１）でインピーダンスの計測指令が出されていたが、この時点では直前までリフレッシュ運転していたため燃料電池１はエア不足となっている。このため、燃料電池の発電電力は、破線で示すようにインピーダンス計測に必要なレベルに達していない。このような場合にインピーダンス計測を試みてもインピーダンス測定自体が不可能であるか、仮にインピーダンスが計測されたとしても不正確な値が計測されてしまう。このような状態で計測されるインピーダンス値は、十分な電力で測定されるべき正確な値よりも高い値を示す（図３参照）。インピーダンスが高いということは含水量が少ないと推測されることになり、そのままシステムを停止可能な状態と判定されるおそれがあった。実際の含水量はインピーダンス計測で誤って推定された含水量より多いため、過剰な水分を残したままシステムを停止し、凍結等によりシステムに悪影響を与える可能性があった。
【００６２】
本発明に係る燃料電池システムでは、時刻ｔ１において、イグニッションキーがオフになってシステム終了処理に移行し、リフレッシュ運転フラグがオン状態“１”からオフ状態“０”に転じ、エアコンプレッサ運転フラグがオフ状態“０”からオン状態“１”になり、エアコンプレッサ２２に運転再開指令が出された時点から、さらに予め定めた一定時間Ｘ、インピーダンス計測が禁止され、待機状態となる。そして、一定時間Ｘが経過した時刻ｔ２において、インピーダンス計測が解禁され、インピーダンス計測指令が出力される。この時点では、時刻ｔ１から開始したエアコンプレッサの運転により燃料電池１に十分なエアが供給されているので、燃料電池１の発電電力も実線にて示すようにインピーダンス計測に十分な電力となっていので、計測されるインピーダンス値は正確な値となり、推測される含水量も現実の残留水分量に近似した値となる。よって、掃気処理の有無を正しく判定し、掃気時間を正確に推測し、適切な含水量にまで掃気してから（時刻ｔ３）、システムを停止することができるようになる。
【００６３】
以上、本実施形態１によれば、判定手段５４１により、エア供給停止が解除された直後にシステム停止要求が出されたことを検出するので、エア不足となっていることを適切に判定し、この期間を避けてインピーダンス計測を行うことが可能である。
【００６４】
本実施形態１によれば、エア供給停止が解除されてから一定期間Ｘが過ぎるまで待ってからインピーダンス計測が解禁されるので、エア供給開始後、インピーダンス計測に必要な電力が発電可能となってからインピーダンス計測されることになり、正しいインピーダンス値に基づき適切な掃気処理制御が可能となる。
【００６５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成及び機能ブロックは、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成（図１）及び機能ブロック（図２）と同じである。ただし、燃料電池システムの終了処理に含まれる燃料電池のインピーダンス計測を開始するタイミング判定方法が異なる。
【００６６】
図６は、本実施形態２に係るシステム終了処理における動作を示すフローチャート図である。
上記第１の実施形態と同様、まず、ステップＳ２１において、イグニッションキーがオフ状態であるか否かが判定される。イグニッションキーがオフにされると運転モードフラグＦｍが通常モードから停止モードに変更になる。運転モードフラグＦｍが停止モードになっていた場合は（ＹＥＳ）、インピーダンス計測許可部５４の判定手段５４１はステップＳ２２に進む。一方、運転モードフラグＦｍが停止モードになっていない場合には（ＮＯ）、システム終了処理時ではないと判断できるので、この処理を終了する。
【００６７】
ステップＳ２２において、システムが停止モードに移行する直前の段階でエアコンプレッサ（空気極側のコンプレッサ２２）が運転されていたか否かが判定される。エアコンプレッサ２２の運転状態は、エアコンプレッサ運転フラグＦａにより判定される。エアコンプレッサ運転フラグＦａがオフ状態であり、エアコンプレッサが直前まで停止状態であった場合（ＹＥＳ）、判定手段５４１はステップＳ２３に進む。一方、エアコンプレッサ運転フラグＦａがオン状態であり、運転が継続されていたと判定できる場合には（ＮＯ）、待機する。
【００６８】
ステップＳ２３において、判定手段５４１は、所定のインターバル期間Ｙごとに、燃料電池１の出力電圧Ｖｆを参照し、電両電池の出力電圧Ｖｆが所定のしきい値電圧Ｖｔｈに達しているか否かを判定する。燃料電池の出力電圧は発電可能な電力と相関している。よって、判定手段５４１が比較するしきい値電圧Ｖｔｈを、インピーダンス計測に必要な電力を供給可能な発電状態における燃料電池１の出力電力に設定しておく。
【００６９】
また、燃料電池１の出力電圧Ｖｆを参照するインターバル期間Ｙは、待機手段５４２がタイマーで管理する。このタイマーで計測されるインターバル期間Ｙは、上記第１の実施形態で用いた時刻Ｘ、すなわち、設定されたエアコンプレッサの回転数でエアの供給を再開した場合に、燃料電池１の発電電力が上昇し、インピーダンス計測に足りる電力量を供給可能となる最低時間Ｔmin以上の期間としてもよいが、本実施形態では、それより短い期間としてもよい。本実施形態では、燃料電池１の発電電圧を監視することにより、インピーダンス計測に十分な電力が発電可能か否かをモニターするからである。
【００７０】
ステップＳ２３において、燃料電池１の出力電圧Ｖｆがしきい値電圧Ｖｔｈ以上となるまでは（ＮＯ）、待機手段５４２はインピーダンス計測部５５による計測を禁止し続ける。燃料電池１の出力電圧Ｖｆがしきい値電圧Ｖｔｈ以上となったら（ＹＥＳ）、待機手段５４２はインピーダンス計測部５５によりインピーダンス計測を解禁する。これに対応して、ステップＳ２４において、インピーダンス計測部５５は燃料電池１のインピーダンスの計測を実施し、燃料電池１に残存している水分量（含水量）を推測し、掃気処理制御部５６に出力する。
【００７１】
ステップＳ２５において、現時点の含水量が掃気処理を要する量を超えているか否かが判定される。その結果、含水量が適正範囲でありそのまま燃料電池システムの運転を停止しても不都合のない程度の量に制御されていれば（ＮＯ）、掃気処理制御部５６はそのまま処理を終了する。一方、含水量が掃気を要する量を超えていれば（ＹＥＳ）、ステップＳ２６に移行し、掃気処理制御部５６は含水量が適正範囲に入るまでに必要な掃気時間または掃気量、掃気強度を演算し、演算された回転数で駆動するための駆動信号をコンプレッサ２２に出力し、演算された掃気時間が経過した後、コンプレッサ２２を停止させ、掃気処理を終了する。以上の処理により、燃料電池１の含水量は適正範囲に収束し、システムを停止させることが可能となる。
【００７２】
次に、図７のタイミングチャートを参照しながら、本第２の実施形態におけるシステム停止処理のフラグ状態とインピーダンス測定の関係を説明する。
図７に示すように、時刻ｔ０では燃料電池１は通常モードで運転されている。時刻ｔ１において、イグニッションキーがオフになって、システム終了処理に移行すると、停止モードに移行する。この時、運転モードフラグＦａは通常モードから停止モードに移行する。同時に、リフレッシュ運転フラグは、オン状態“１”からオフ状態“０”に移行する。また、エアコンプレッサ運転フラグがオフ状態“０”からオン状態“１”に変更され、エアコンプレッサ２２に運転再開指令が出される。
【００７３】
従来のインピーダンス測定およびそれに対応する発電特性を破線で示してある。従来システムでは、この時点（時刻ｔ１）でインピーダンスの計測指令が出されていたが、この時点での燃料電池１の出力電圧ＶｆはＶ１であるが、この状態で燃料電池に発電可能な電力は、インピーダンス計測に必要なレベルに達していない。このような場合にインピーダンス計測を試みてもインピーダンス測定自体が不可能であるか、仮にインピーダンスが計測されたとしても不正確な値が計測されてしまう。このような状態で計測されるインピーダンス値は、十分な電力で測定されるべき正確な値よりも高い値を示す。インピーダンスが高いということは含水量が少ないと推測されることになり、そのままシステムを停止可能な状態と判定されるおそれがあった。実際の含水量はインピーダンス計測で誤って推定された含水量より多いため、過剰な水分を残したままシステムを停止し、凍結等によりシステムに悪影響を与える可能性があった。
【００７４】
一方、本発明に係る燃料電池システムでは、時刻ｔ１において、イグニッションキーがオフになってシステム終了処理に移行し、リフレッシュ運転フラグがオン状態“１”からオフ状態“０”に転じ、エアコンプレッサ運転フラグがオフ状態“０”からオン状態“１”になり、エアコンプレッサ２２に運転再開指令が出された時点から定期的に燃料電池１の出力電力Ｖｆがモニターされる。そして、燃料電池１の出力電力Ｖｆがしきい値電圧Ｖｔｈを超えたＶ２となった時刻ｔ２以降において、インピーダンス計測が解禁され、インピーダンス計測指令が出力される。この時点では、時刻ｔ１から開始したエアコンプレッサの運転により燃料電池１に十分なエアが供給されているので、燃料電池１の発電電力も実線にて示すようにインピーダンス計測に十分な電力となっていので、計測されるインピーダンス値は正確な値となり、推測される含水量も現実の残留水分量に近似した値となる。よって、掃気処理の有無を正しく判定し、掃気時間を正確に推測し、適切な含水量にまで掃気してから（時刻ｔ３）、システムを停止することができる。
【００７５】
以上、本第２の実施形態によれば、燃料電池１の発電可能電力と相間関係がある出力電圧Ｖｆをモニターし、燃料電池１がインピーダンス計測に必要な電力を発電可能になった時からインピーダンス計測が行われるので、インターバル期間を短くとることで、遅滞なくシステム停止処理を実行することが可能である。
【００７６】
（その他の実施形態）
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種種に変形して適用することが可能である。
例えば、上記の各実施形態では、まずインピーダンス計測が不可能な状態か否かの判定を行っていたが、本発明はこれに限らない。例えば、停止していたエア供給を再開した場合に、一定期間、インピーダンス計測に足りる電力を発電することが明らかに不可能であれば、インピーダンス計測の可否についての判定をすることなく、エア供給再開時から一定期間の経過後まで待って、最初のインピーダンス計測を行うようにしてもよい。
【００７７】
また、上記実施形態では、イグニッションキーがオフになった時点で、リフレッシュ処理のために酸素不足が生じていることを前提としていたが、これに限らない。その他の実施形態として、燃料電池１の発電電力が十分でなく、インピーダンス計測処理が不可能な他の場合にも上記の実施形態と同様のインピーダンス計測処理を実施することができる。例えば、燃料電池システムが間欠運転モードであり、インピーダンス計測処理が要求された時点で、燃料電池１の出力電力または出力電圧がインピーダンス計測処理に必要な値に達していない場合や、エア供給が停止されてから一定時間が経過していない場合（即ち、酸素不足が生じている場合）には、上記の各実施形態と同様のタイミング判定を行った上でのインピーダンス計測処理が可能である。
【００７８】
また、システムの完全停止時だけでなく、断続的に燃料電池１を止める間欠モードにおいてインピーダンス計測が必要となる処理において、本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】第１および第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】第１および第２の実施形態に係る燃料電池システムの制御部の機能構成を示すブロック図である。
【図３】インピーダンス計測許可部の機能構成を示すブロック図である。
【図４】第１の実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０におけるインピーダンス計測の開始タイミングを示す説明図である。
【図５】第１の実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０におけるインピーダンス計測開始タイミングの制御を含む一連の動作を示すフローチャート図である。
【図６】第２の実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０におけるインピーダンス計測の開始タイミングを示す説明図である。
【図７】第２の実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０におけるインピーダンス計測開始タイミングの制御を含む一連の動作を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００８０】
１…燃料電池、１０…燃料ガス配管系、１１…水素ガス供給源、１２…水素ガス供給路、１３…循環路、１４…気液分離器、１５…水素ポンプ、１６…バッファタンク、１７…排出路、１８…希釈器、２０…酸化ガス配管系、２１…エアクリーナ、２２…コンプレッサ、２３…加湿器、３０…冷媒配管系、３１…ラジエータ、３２…ファン、３３…冷却水ポンプ、４０…電力系、４１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、４２…バッテリ、４３…インバータ、４４…トラクションモータ、４５…電圧センサ、４６…電流センサ、５０…制御部、５１…目標電圧決定部、５２…重畳信号生成部、５３…電圧指令信号生成部、５４…インピーダンス演算部、５５…インピーダンス比較部、５６…掃気処理制御部、ｐ１〜ｐ３…圧力センサ、Ｐ１…圧力下限値、Ｐ２…圧力上限値、ＲＧ…調圧弁、ＳＶ１…元弁、ＳＶ２…燃料電池入口遮断弁、ＳＶ３…燃料電池出口遮断弁、ＳＶ４…気液分離器用遮断弁、ＳＶ５…パージ遮断弁、ＳＶ６…循環路遮断弁、ＳＶ８〜ＳＶ９…遮断弁、ＳＶ７…循環路遮断弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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