(57)【要約】【課題】燃料電池に不具合等を引き起こすことなく、燃料電池内の水分量を適正にする。【解決手段】電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃと、燃料電池１０の出力電流Ｉを制御するインバータ１８と、を備え、電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃで検知される各電圧とインバータ１８により制御される出力電流Ｉとにおいて、いずれか一方の変化量に対する他方の変化量、又は、いずれか一方に対する他方の位相差、に基づいて、燃料電池１０の掃気処理を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池セルが複数積層された燃料電池積層体を含む燃料電池システムであって、
燃料電池積層体のうち一部のセルの電流と、当該セルの電圧との両方に基づいて、掃気を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記電流と前記電圧のうち一方に対する他方の変化量または位相差に基づき、掃気を終了する、燃料電池システム。
【請求項３】
燃料ガスと酸素含有ガスとを供給することによって発電するセル、を複数積層させた燃料電池を含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池の一方の端部セルを第１端部セルとし、他方の端部セルを第２端部セルとした場合に、
前記第１端部セル又は前記第１端部セルを含む部分セルスタックの出力電圧を検知する第１電圧センサと、
前記第２端部セル又は前記第２端部セルを含む部分セルスタックの出力電圧を検知する第２電圧センサと、
前記燃料電池の前記第１端部セル及び前記第２端部セルではない中央部セル、又は、前記中央部セルを含む部分セルスタックの出力電圧を検知する第３電圧センサと、
前記燃料電池の出力電流を制御する出力制御部と、
前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧と、前記出力制御部により制御される出力電流と、において、いずれか一方の変化量に対する他方の変化量、又は、いずれか一方に対する他方の位相差、に基づいて、前記燃料電池の掃気処理を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記いずれか一方の変化量に対する他方の変化量、又は、いずれか一方に対する他方の位相差が所定の条件を満たすまで掃気を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記掃気処理の際に、前記燃料電池へ供給される酸素含有ガスの利用率を２０％以下とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記掃気処理の際に、前記燃料電池へ供給される酸素含有ガスの加湿量を、相対湿度が５％以上３０％以下となるようにすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記出力電流を前記燃料電池のセル面積に対する電流密度を０．１Ａ／ｃｍ2以下としつつ掃気処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に接続される負荷を定抵抗負荷に切り替えて掃気処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項３〜８のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧と、前記出力制御部により制御される出力電流と、に基づいて、前記第１端部セル又は前記第１端部セルを含む部分セルスタックの内部抵抗値ｒａと、前記第２端部セル又は前記第２端部セルを含む部分セルスタックの内部抵抗ｒｂと、前記燃料電池の前記第１端部セル及び前記第２端部セルではない中央部セル、又は、前記中央部セルを含む部分セルスタックの内部抵抗ｒｃと、を求め、
前記内部抵抗ｒｃが前記内部抵抗ｒａ及び前記内部抵抗ｒｂ以上であり、かつ、前記内部抵抗ｒａ及び前記内部抵抗ｒｂが所定の基準抵抗値Ｒ以上となるまで掃気処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記出力電流に微少交流電流を重畳させた際の前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧の変化に基づいて、前記内部抵抗ｒａ、前記内部抵抗ｒｂ及び前記内部抵抗ｒｃを求めることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記出力電流を瞬断させた際の前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧の変化に基づいて、前記内部抵抗ｒａ、前記内部抵抗ｒｂ及び前記内部抵抗ｒｃを求めることを特徴とす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、燃料電池内の水分量を適正にすることが可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を搭載した電気自動車やハイブリッド自動車が開発されている。一般的に燃料電池セルは、電解質膜と、燃料極（アノード極）と、空気極（カソード極）と、外部回路とを有する。アノード極に水素ガス等の燃料ガスを供給し、カソード極に空気等の酸化性ガスを供給することによって発電が行われる。アノード極側では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に移動し、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水を生成する反応が行われる。このような反応によって電気エネルギーが発生する。
【０００３】
このように水素と酸素との化学反応を利用して発電を行う固体高分子形燃料電池では、燃料電池内の水分量を適正な範囲に維持することが必要である。水分量が不足すると、電解質膜の作用が抑えられ、電池の出力が低下する。一方、電解質膜の水分量が過剰になると、電極に水分が付着してガスの透過が阻害され、電池の出力が低下する。
【０００４】
また、燃料電池の運転終了時に燃料電池内部に過剰な水分が残留している場合、低温環境下では残留した水分が凍結することがある。このように水分が凍結した場合、燃料電池を再起動する際に、凍結した水分によって燃料ガスや酸素含有ガスの流れが妨げられたり、電解質膜へのガスの供給が阻害されたりする。その結果、燃料電池が再起動できなくなるおそれがある。
【０００５】
そこで、特許文献１のように、燃料電池を停止させる際に燃料電池内に残留する水分を掃気する技術が開示されている。また、この文献には、セルモニタにより燃料電池を構成する複数のセルの各出力電圧を検出し、その各出力電圧に基づいて各セルの湿潤状態を間接的に求め、その湿潤状態に応じて掃気処理を制御する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２０８４２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料電池を停止させた後にスタックに乾燥空気を送って水分を排除する際に、燃料電池の電解質膜の温度が低いと、電解質膜に付着している水分を除去しきれない場合がある。このとき、パージ空気の露点のみで燃料電池内に残留する水分量を把握することができなくなる。
【０００８】
また、燃料電池の運転時よりも少ない流量で非加湿の空気を供給することによって燃料電池内の水分を除去しようとした場合、電解質膜の上流部は乾燥状態、電解質膜の下流部は高加湿状態となるおそれがある。すなわち、セル面内に水分量の偏りを生じ、その結果、発電状態まで偏りを生ずる原因となるおそれがある。また、かえって、セル面内に局在的な水詰まりを引き起こす可能性もある。
【０００９】
また、セル電圧の絶対値によって水分量を評価する方法では、セル面内に局在的な水分の分布を生じた場合に燃料電池内に残留する水分量を正確に把握することができなくなるおそれがある。したがって、残留水分量を評価しつつ、水分のパージ処理を制御することが困難となるおそれがある。
【００１０】
また、燃料極に空気を送って水分を除去する方法では、燃料極付近に空気の残留を引き起こし、燃料電池を再起動する際に燃料極近傍に燃料ガスと空気との混在状態をつくりだす。このような燃料ガスと空気との混在状態は、燃料極及び空気極の触媒の劣化を早めてしまう原因となり得る。
【００１１】
本発明は、上記課題を鑑み、上記課題の少なくとも１つを解決すべく、燃料電池内の水分量を適正にすることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池セルが複数積層された燃料電池積層体を含む燃料電池システムであって、燃料電池積層体のうち一部のセルの電流と、当該セルの電圧との両方に基づいて、掃気を制御することを特徴とする。
【００１３】
ここで、「一部のセルの電流と電圧の関係」には、燃料電池積層体の端部またはその近傍の一以上のセルの電流と電圧の関係の他、燃料電池セル積層体を複数の組に分け、それぞれの組ごとの電流と電圧との関係が含まれる。さらに「一部のセルの電流と電圧との関係」には、燃料電池積層体の全てのセルに関し、セルごとの電流と電圧の関係も含まれる。つまり、燃料電池積層体の全体の総電流と総電圧との関係ではなく、その一部のセルまたはセル群の電流と電圧の関係が所定の条件に達した場合に、それをトリガとして掃気の制御を変更する構成であればいかなる構成であっても良い。ここでいう掃気の制御とは、例えば、掃気の終了や、掃気中の温度、ガス流量などの種々の掃気の条件の変更である。
【００１４】
さらに、前記電流と前記電圧のうち一方に対する他方の変化量または位相差に基づき、掃気を終了する燃料電池システムとすることができる。一部のセルの電流および電圧のうち、一方が周期的に変化する場合、一方と他方の位相ずれや、一方が変化する場合における電流と電圧との比に基づいて、当該セルの電気抵抗を求め、その電気抵抗から当該セルの電解質膜の湿潤状態を推定することも可能である。
【００１５】
また、具体的な例として、燃料ガスと酸素含有ガスとを供給することによって発電するセル、を複数積層させた燃料電池を含む燃料電池システムであって、前記燃料電池の一方の端部セルを第１端部セルとし、他方の端部セルを第２端部セルとした場合に、前記第１端部セル又は前記第１端部セルを含む部分セルスタックの出力電圧を検知する第１電圧センサと、前記第２端部セル又は前記第２端部セルを含む部分セルスタックの出力電圧を検知する第２電圧センサと、前記燃料電池の前記第１端部セル及び前記第２端部セルではない中央部セル、又は、前記中央部セルを含む部分セルスタックの出力電圧を検知する第３電圧センサと、前記燃料電池の出力電流を制御する出力制御部と、前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧と、前記出力制御部により制御される出力電流と、において、いずれか一方の変化量に対する他方の変化量、又は、いずれか一方に対する他方の位相差、に基づいて、前記燃料電池の掃気処理を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、前記いずれか一方の変化量に対する他方の変化量、又は、いずれか一方に対する他方の位相差が所定の条件を満たすまで掃気を行うことが好適である。
【００１７】
また、前記掃気処理の際に、前記燃料電池へ供給される酸素含有ガスの利用率を２０％以下とすることが好適である。また、前記掃気処理の際に、前記燃料電池へ供給される酸素含有ガスの加湿量を、相対湿度が５％以上３０％以下となるようにすることが好適である。
【００１８】
また、前記出力電流を前記燃料電池のセル面積に対する電流密度が０．１Ａ／ｃｍ2以下としつつ掃気処理を行うことが好適である。また、前記燃料電池に接続される負荷を定抵抗負荷に切り替えて掃気処理を行ってもよい。
【００１９】
より具体的には、前記制御部は、前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧と、前記出力制御部により制御される出力電流と、に基づいて、前記第１端部セル又は前記第１端部セルを含む部分セルスタックの内部抵抗値ｒａと、前記第２端部セル又は前記第２端部セルを含む部分セルスタックの内部抵抗ｒｂと、前記燃料電池の前記第１端部セル及び前記第２端部セルではない中央部セル、又は、前記中央部セルを含む部分セルスタックの内部抵抗ｒｃと、を求め、前記内部抵抗ｒｃが前記内部抵抗ｒａ及び前記内部抵抗ｒｂ以上であり、かつ、前記内部抵抗ｒａ及び前記内部抵抗ｒｂが所定の基準抵抗値Ｒ以上となるまで掃気処理を行うことが好適である。
【００２０】
例えば、前記出力電流に微少交流電流を重畳させた際の前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧の変化に基づいて、前記内部抵抗ｒａ、前記内部抵抗ｒｂ及び前記内部抵抗ｒｃを求める。
【００２１】
また、例えば、前記出力電流を瞬断させた際の前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧の変化に基づいて、前記内部抵抗ｒａ、前記内部抵抗ｒｂ及び前記内部抵抗ｒｃを求める。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池に不具合等を引き起こすことなく、燃料電池内の水分量を適正にすることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
［第１の実施の形態］
本発明の実施の形態における燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池（燃料電池セルスタック）１０、燃料ガス供給装置１２、酸化剤供給装置１４、セル電圧センサ１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｂ）、インバータ１８及び制御部１９を含んで構成される。本実施の形態における燃料電池システムは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される。また、定置型としても用いることができる。
【００２４】
燃料電池１０は、それぞれが発電の単位となる複数の単セルが積層されて構成される。各セルは、電解質と、電解質を両側から挟む燃料極(アノード)及び空気極(カソード)と、燃料極及び空気極を挟む燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータを含んで構成される。燃料極は、拡散層と触媒層とを有する。燃料極には、水素ガス等の燃料ガスが燃料供給装置１２により供給される。燃料極に供給された燃料ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化反応により水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは電解質を通って空気極に移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。
【００２５】
空気極は、拡散層と触媒層とを有する。空気極には、空気等の酸化剤ガスが酸化剤供給装置（図示しない）により供給される。空気極に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤ガスと、電解質を通って空気極に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極に到達した電子とによる還元反応が生ずる。これにより水が生成される。
【００２６】
また、燃料極における酸化反応と空気極における還元反応の際に、外部回路を通る電子が燃料電池１０のセルスタックの両端子間に接続される負荷に対する電力として取り出される。
【００２７】
燃料ガス供給装置１２は、水素タンク１２ａ、コンプレッサ１２ｂ、流量調整バルブ１２ｃ等を含んで構成される。燃料ガス供給装置１２は、燃料電池１０を構成する各セルの燃料極に水素ガスを供給する。
【００２８】
酸化剤供給装置１４は、コンプレッサ２０、空気三方弁２２、温度センサ２４、加湿器２６及び加湿制御弁２８を含んで構成される。コンプレッサ２０の出口は配管Ａへ接続される。配管Ａには、空気三方弁２２の入口ａに接続される。空気三方弁２２の第１の出口ｂは、配管Ｂを介して、加湿器２６の吸湿側の入口に接続される。加湿器２６の吸湿側の出口は、配管Ｃを介して、燃料電池１０の空気供給口に接続される。また、配管Ｃの途中には、燃料電池１０へ流入する空気の温度を検知して、制御部１９へ出力する温度センサ２４が設けられる。空気三方弁２２の第２の出口ｃは、配管Ｄを介して、加湿器２６の吸湿側の出口の配管Ｃに接続される。
【００２９】
燃料電池１０の空気排出口には、配管Ｅを介して、加湿器２６の排湿側の入口に接続される。加湿器２６の排湿側の出口は配管Ｆに接続され、加湿器２６から空気が外気へ排出される。また、配管Ｅの中間部には、加湿制御弁２８の入口が接続される。加湿制御弁２８の出口は、配管Ｇを介して、配管Ｆに接続される。
【００３０】
入口ａと第１の出口ｂが接続されるように空気三方弁２２が切り替えられている場合、コンプレッサ２０により空気を圧縮して配管Ａへ供給すると、圧縮空気は加湿器２６を通じて燃料電池１０へ供給される。入口ａと第２の出口ｃが接続されるように空気三方弁２２が切り替えられている場合、圧縮空気は加湿器２６を介さずに、燃料電池１０へ供給される。
【００３１】
加湿制御弁２８が閉じている場合には、燃料電池１０から排出された空気は加湿器２６を介して、外気へ排出される。一方、加湿制御弁２８が開いている場合には、燃料電池１０から排出された空気は加湿器２６を介さずに、外気へ排出される。
【００３２】
加湿器２６の吸湿側と排湿側との両方に空気が流れている場合、燃料電池１０で加湿された空気が排湿側を流れ、排湿側を流れる空気から吸湿側を流れる空気へ水分が移る。これにより、燃料電池１０へ供給される空気が加湿される。一方、加湿器２６の吸湿側に空気が流れ、排湿側には空気が流れていない場合、又は、加湿器２６の吸湿側に空気が流れておらず、排湿側には空気が流れている場合には燃料電池１０へ供給される空気は加湿されない。
【００３３】
セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、燃料電池１０に含まれる所定のセル（あるいはセルスタック１０の一部のセル群である部分セルスタック）の電圧を検知して制御部１９へ出力する。セル電圧センサ１６ａは、燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セル（又は、その端部セルを含む部分セルスタック）に配設される。セル電圧センサ１６ａは、空気供給口に近い側の端部セル（又は、その端部セルを含む部分セルスタック）の出力電圧を検知して制御部１９へ出力する。セル電圧センサ１６ｂは、燃料電池１０の空気供給口に遠い側の端部セル（又は、その端部セルを含む部分セルスタック）に配設される。セル電圧センサ１６ｂは、空気供給口に遠い側の端部セル（又は、その端部セルを含む部分セルスタック）の出力電圧を検知して制御部１９へ出力する。セル電圧センサ１６ｃは、燃料電池１０の中央部付近のセル（又は、そのセルを含む部分セルスタック）に配設される。すなわち、セル電圧センサ１６ａ及び１６ｂの電圧検知対象となるセル（又は部分セルスタック）に挟まれた部分のセル（又は、そのセルを含む部分セルスタック）に配設される。セル電圧センサ１６ｃは、燃料電池１０の中央部付近のセル（又は、そのセルを含む部分セルスタック）の出力電圧を検知して制御部１９へ出力する。以下では、本実施の形態では、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃは単一のセルの電圧を検出するように設けられているものとして説明するが、複数のセルを含む部分セルスタックの電圧を検出するようにしても同様の作用を得ることができる。
【００３４】
インバータ１８は、制御部１９からの出力制御信号を受けて、燃料電池１０から負荷へ出力される電流値を制御することによって電力を調整する。インバータ１８は、既存のインバータ回路を含んで構成することができる。
【００３５】
制御部（電子コントロールユニット：ＥＣＵ）１９は、ＣＰＵ及びその周辺回路を含んで構成され、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ、温度センサ２４からの検出値等を受けて、燃料ガス供給装置１２、コンプレッサ２０、空気三方弁２２、加湿制御弁２８及びインバータ１８等を制御する。これにより、制御部１９は、燃料電池システムを統合的に制御する。
【００３６】
燃料電池１０の定常運転時は、制御部１９は、車両のアクセル（図示しない）等から信号を受けて、必要出力電力に応じてコンプレッサ１２ｂ及びコンプレッサ２０の回転数を制御すると共に、インバータ１８によって出力電力及び出力電流を制御することによって車両に設けられたモータを駆動させる。このとき、必要に応じて、空気三方弁２２や加湿制御弁２８の開度を調整することによって、燃料電池１０へ供給される空気の湿度を調整し、燃料電池１０内の水分量を適切に保持する。
【００３７】
次に、燃料電池１０を停止する際の制御について説明する。図２に、本実施の形態に係る燃料電池１０の停止時の制御のフローチャートを示す。フローチャートの各ステップは、制御部１９による燃料電池システムの各部の制御によって実現される。制御部１９は、燃料電池システムの停止制御信号を受けるとステップＳ１０からの処理を開始する。
【００３８】
ステップＳ１０では、燃料電池１０から出力されている電流Ｉが所定の最低電流値Ｉｍｉｎよりも大きいか否かが判定される。制御部１９は、電流Ｉが最低電流値Ｉｍｉｎより大きい場合にはステップＳ１２へ処理を移行させ、そうでない場合にはステップＳ１６へ処理を移行させる。ここで、最低電流値Ｉｍｉｎは、燃料電池１０のセル面積に対する電流密度が０．１Ａ／ｃｍ2以下となるように設定することが好適である。
【００３９】
ステップＳ１２では、電流Ｉが調整される。制御部１９は、燃料電池１０から出力される電流Ｉを低下させるための制御信号をインバータ１８へ送る。インバータ１８は、その制御信号を受けて、電流Ｉが最低電流値Ｉｍｉｎとなるようにインバータ回路のスイッチングを制御する。
【００４０】
ステップＳ１４では、電流Ｉが最低電流値Ｉｍｉｎに等しくなったか否かが判定される。制御部１９は、電流Ｉが最低電流値Ｉｍｉｎに等しくなった場合にはステップＳ１６へ処理を移行させ、そうでない場合にはステップＳ１２へ処理を戻す。なお、電流Ｉは所定の範囲内で最低電流値Ｉｍｉｎと略一致していればよい。
【００４１】
このように、燃料電池１０のセル面積に対する電流密度が０．１Ａ／ｃｍ2以下となるように最低電流値Ｉｍｉｎを設定することによって、以下の処理において電圧や内部抵抗の変化量に基づいて燃料電池１０内の残留水分量を正確に把握し易くなる。
【００４２】
ステップＳ１６では、水素の供給量が燃料電池１０の定常出力時の供給量に調整される。制御部１９は、燃料ガス供給装置１２のコンプレッサ１２ｂ及び流量調整バルブ１２ｃへ制御信号を送信することによって、燃料ガス供給装置１２から燃料電池１０へ供給される水素の供給量を燃料電池１０の定常出力時の供給量に維持する。
【００４３】
ステップＳ１８では、空気の供給量が燃料電池１０の定常出力時よりも低利用率となるように調整される。制御部１９は、酸化剤供給装置１４のコンプレッサ２０へ制御信号を送信することによって、酸化剤供給装置１４から燃料電池１０へ供給される空気の供給量を燃料電池１０の定常出力時よりも多くし、空気が低利用率となるように調整する。ここでは、空気の利用率が２０％以下となるように空気の供給量を増加させる。
【００４４】
なお、空気の利用率とは、燃料電池１０で実際に消費される酸素量を、燃料電池１０へ供給される空気に含まれる酸素量で割った比率のことである。この空気の利用率と、燃料電池１０の出力電力との相関関係を予め求めておくことによって、燃料電池１０の出力電力に応じて所定の空気利用率となるように空気の供給量を調整することができる。このように、空気の利用率を下げて掃気を行うことによって、以下の処理において電圧や内部抵抗の変化量に基づいて燃料電池１０内の残留水分量を正確に把握し易くなる。
【００４５】
ステップＳ２０では、供給される空気の加湿量を所定の範囲に設定する。制御部１９は、温度センサ２４から燃料電池１０へ供給される空気の温度Ｔｈを得る。制御部１９には、予め測定された空気温度Ｔｈと空気の相対湿度（ＲＨ）との関係を示すテーブルが保持されており、制御部１９は温度センサ２４から得た温度Ｔｈが所定の基準温度Ｔｈ１以下となるように制御を行う。所定の温度Ｔｈ１は、加湿された空気の相対湿度が５％〜３０％の範囲となる温度とする。
【００４６】
具体的には、制御部１９は、空気三方弁２２及び加湿制御弁２８の少なくとも一方へ制御信号を送信することによって、空気三方弁２２及び加湿制御弁２８の少なくとも一方の開度を調整し、加湿器２６において燃料電池１０から排出された空気から燃料電池１０へ供給される空気への加湿が適度になるように制御を行う。
【００４７】
例えば、空気三方弁２２の入口ａと第２の出口ｃとが接続され、入口ａと第１の出口ｂとが遮断された状態とする。これによって、燃料電池１０へ供給される空気を完全に非加湿状態とする。このとき、加湿制御弁２８を閉の状態として、燃料電池１０から排出された空気を加湿器２６に通して、加湿器２８を低水蒸気分圧の環境においてもよいし、加湿制御弁２８を開の状態として、燃料電池１０から排出された空気を加湿器２６に通さないようにしてもよい。
【００４８】
また、例えば、空気三方弁２２の入口ａと第１の出口ｂとが接続され、入口ａと第２の出口ｃとが遮断された状態とする。これによって、燃料電池１０へ供給される空気を加湿器２６に通し、加湿状態とする。このとき、加湿制御弁２８の開度を調整することによって、燃料電池１０へ供給される空気の加湿量が相対湿度５％〜３０％の範囲にとなるように調整する。
【００４９】
ステップＳ２２では、温度Ｔｈが基準温度Ｔｈ１以下であるか否かが判定される。制御部１９は、温度Ｔｈが基準温度Ｔｈ１以下であれば処理をステップＳ２４へ移行させ、そうでなければ処理をステップＳ２０へ戻す。このように、燃料電池１０へ供給される空気の温度Ｔｈを評価しつつ、燃料電池１０へ所定の湿度に乾燥させた空気を供給することによって燃料電池１０内に残留する水分を乾燥させる。このように、空気の加湿量を所定の範囲に調整することによって、燃料電池１０内を過剰に乾燥させることなく、適切な加湿度となるように乾燥させることができる。
【００５０】
ステップＳ２４では、端部セル及び中央部セルの電圧及び電流における一方の変化に対する他方の変化に基づいてそれぞれのセルの内部抵抗が求められる。内部抵抗の求め方としては、例えば、交流インピーダンス法や瞬間電流遮断法が挙げられる。
【００５１】
交流インピーダンス法を採用した場合、制御部１９は、インバータ１８を制御して、燃料電池１０を流れる最低電流値Ｉｍｉｎに１〜４ｋＨｚ程度の平均振幅ΔＩの微少交流電流が重畳されるようにする。このように微少交流電流を重畳させた状態で、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃからそれぞれ燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セルの電圧Ｖａの変化量ΔＶａ、空気供給口に遠い側の端部セルの電圧Ｖｂの変化量Ｖｂ及び燃料電池１０の中央部セルの電圧Ｖｃの変化量ΔＶｃを測定する。そして、変化量ΔＶａ，ΔＶｂ，ΔＶｃを微少交流電流ΔＩで除することによって燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セルの内部抵抗ｒａ、空気供給口に遠い側の端部セルの内部抵抗ｒｂ及び燃料電池１０の中央部セルの内部抵抗ｒｃを求めることができる。
【００５２】
また、瞬間電流遮断法を採用することもできる。この場合、制御部１９は、インバータ１８を制御して、燃料電池１０を流れる最低電流値Ｉｍｉｎを瞬間的に遮断させる。このように燃料電池１０に流れる電流を瞬断させることによって、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃからそれぞれ燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セルの電圧Ｖａの変化量ΔＶａ、空気供給口に遠い側の端部セルの電圧Ｖｂの変化量Ｖｂ及び燃料電池１０の中央部セルの電圧Ｖｃの変化量ΔＶｃを測定する。そして、変化量ΔＶａ，ΔＶｂ，ΔＶｃを最低電流値Ｉｍｉｎで除することによって燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セルの内部抵抗ｒａ、空気供給口に遠い側の端部セルの内部抵抗ｒｂ及び燃料電池１０の中央部セルの内部抵抗ｒｃを求めることができる。
【００５３】
なお、各セルの内部抵抗の算出方法はこれらの方法に限定されるものでない。各セルの内部抵抗が算出できる方法であればよい。
【００５４】
ステップＳ２６では、端部セルの内部抵抗ｒａ，ｒｂ及び中央部セルの内部抵抗ｒｃの値に基づいて燃料電池１０の乾燥処理を終了するか否かが判定される。制御部１９は、端部セルの内部抵抗ｒａ，ｒｂが所定の基準抵抗Ｒ以上であり、かつ、中央部セルの内部抵抗ｒｃが端部セルの内部抵抗ｒａ，ｒｂ以上であれば処理をステップＳ２８へ移行させ、そうでなければステップＳ２４へ処理を戻す。
【００５５】
ステップＳ２８では、燃料電池１０から出力される電流Ｉを０に向けて低下させる処理を行う。制御部１９は、インバータ１８へ制御信号を送信し、燃料電池１０から出力される電流Ｉを０に近づけるようにインバータ１８のスイッチングを制御する。
【００５６】
ステップＳ３０では、燃料電池１０から出力される電流Ｉが０になったか否かが判定される。制御部１９は、電流Ｉが０であれば処理をステップＳ３２へ移行させ、そうでなければ処理をステップＳ２８へ戻す。
【００５７】
ステップＳ３２では、燃料電池１０への空気の供給を停止する。制御部１９は、酸化剤供給装置１４のコンプレッサ２０へ制御信号を送信し、コンプレッサ２０を停止させることによって、酸化剤供給装置１４から燃料電池１０へ供給される空気の供給量が０となるように制御する。
【００５８】
ステップＳ３４では。燃料電池１０への水素ガスの供給を停止する。制御部１９は、燃料ガス供給装置１２のコンプレッサ１２ｂ及び流量調整バルブ１２ｃへ制御信号を送信し、コンプレッサ１２ｂを停止させると共に流量調整バルブ１２ｃを閉とすることによって、燃料ガス供給装置１２から燃料電池１０へ供給される水素の供給量が０となるように制御する。
【００５９】
以上のように、燃料電池１０の停止の際に、燃料電池１０の内部の水分を排除するための掃気処理を行った後に燃料電池１０を停止させる。その際、燃料電池１０の端部セル及び中央部セルの出力電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃと、燃料電池１０の出力電流Ｉとの関係において、いずれか一方の変化量に対する他方の変化量に基づいて、燃料電池１０の掃気処理を制御する。このように、燃料電池１０全体ではなく、燃料電池１０を構成するセルスタックの部分毎に電圧と電流の一方の変化量に対する他方の変化量に基づいて掃気処理を行うことによって、残留水分量を正確に把握しつつ、燃料電池内の水分量を適切にすることができる。
【００６０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムについて説明する。本実施の形態における燃料電池システムは、図３に示すように、燃料電池（燃料電池セルスタック）１０、燃料ガス供給装置１２、酸化剤供給装置１４、セル電圧センサ１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｂ）、制御部１９、負荷切替器３０及び定抵抗負荷３２を含んで構成される。本実施の形態における燃料電池システムは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される。また、定置型としても用いることができる。
【００６１】
図３に示す燃料電池システムにおいて、上記第１の実施の形態と同一の構成部については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６２】
負荷切替器３０は、制御部１９から切替制御信号を受けて、インバータ１８を、本負荷（車両を駆動するモータ等の負荷）に接続された状態、掃気用に設けられた定抵抗負荷３２に接続された状態、又は、無負荷状態に切り替える。
【００６３】
次に、燃料電池１０を停止する際の制御について説明する。図４に、本実施の形態に係る燃料電池１０の停止時の制御のフローチャートを示す。フローチャートの各ステップは、制御部１９による燃料電池システムの各部の制御によって実現される。なお、上記第１の実施の形態と同様の処理を行うステップについては同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
ステップＳ１５では、燃料電池１０に接続される負荷を本負荷から定抵抗負荷３２へ切り替える。制御部１９は、負荷切替器３０へ切替制御信号を出力する。負荷切替器３０は、インバータ１８に接続される負荷を本負荷から定抵抗負荷３２へ切り替える。すなわち、本実施の形態では、燃料電池１０内の水分の掃気処理時において定抵抗負荷３２を放電負荷として利用する。このとき、燃料電池のセル面積に対する電流密度０．１Ａ／ｃｍ2以下に対応する最低電流値Ｉｍｉｎとするには、燃料電池１０の停止処理時の定抵抗負荷を定格負荷の３０％以下となるようにするとよい。
【００６５】
ステップＳ３３では、燃料電池１０を無負荷状態にする。制御部１９は、負荷切替器３０へ切替制御信号を出力する。負荷切替器３０は、インバータ１８に定抵抗負荷３２が接続された状態から、インバータ１８が無負荷状態となるように切り替える。
【００６６】
以上のように、本実施の形態においても、燃料電池１０全体ではなく、燃料電池１０を構成するセルスタックの部分毎に電圧と電流の一方の変化量に対する他方の変化量に基づいて掃気処理を行うことによって、残留水分量を正確に把握しつつ、燃料電池内の水分量を適切にすることができる。
【００６７】
＜変形例＞
なお、上記第１及び第２の実施の形態では、燃料電池１０を構成するセルスタックの部分毎の内部抵抗ｒａ，ｒｂ，ｒｃに基づいて掃気処理の制御を行ったが、電圧と電流との位相差に基づいて掃気処理の制御を行ってもよい。
【００６８】
本変形例における掃気処理は図５又は図６に示すフローチャートに沿って行われる。上記第１及び第２の実施の形態におけるステップＳ２４及びＳ２６における処理が変更されている。
【００６９】
ステップＳ２４−２では、端部セル及び中央部セルの電圧及び電流における位相差が求められる。例えば、制御部１９は、インバータ１８を制御して、燃料電池１０を流れる最低電流値Ｉｍｉｎに１〜４ｋＨｚ程度の平均振幅ΔＩの微少交流電流が重畳されるようにする。このように微少交流電流を重畳させた状態で、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃからそれぞれ燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セルの電圧Ｖａの変化量ΔＶａ、空気供給口に遠い側の端部セルの電圧Ｖｂの変化量ΔＶｂ及び燃料電池１０の中央部セルの電圧Ｖｃの変化量ΔＶｃと、電流ΔＩとの位相差θａ，θｂ，θｃを求める。
【００７０】
ステップＳ２６−２では、電圧と電流との位相差に基づいて燃料電池１０の乾燥処理を終了するか否かが判定される。制御部１９は、電圧の変化量ΔＶａ，ΔＶｂと電流ΔＩとの位相差θａ，θｂが所定の基準位相差θ以下であり、かつ、電圧の変化量ΔＶｃと電流ΔＩの位相差θｃが電圧の変化量ΔＶａ，ΔＶｂと電流ΔＩの位相差θａ，θｂ以下であれば処理をステップＳ２８へ移行させ、そうでなければステップＳ２４へ処理を戻す。
【００７１】
燃料電池１０を構成するセルスタックの部分毎の電圧と、燃料電池１０の出力電流との位相差は、燃料電池１０内に残留する水分量による燃料電池１０内のセルの容量の変化を示していると考えられる。したがって、燃料電池１０を構成するセルスタックの部分毎の電圧と、燃料電池１０の出力電流との位相差に基づいて掃気処理の制御を行うことによって、残留水分量を正確に把握しつつ、燃料電池内の水分量を適切にすることができる。
【００７２】
以上の実施の形態および変形例において、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂは、端部のセル、または端部のセルを含む部分セルスタックの電圧を検出するものであるが、端部セルは含まない端部付近のセルまたは部分セルスタックの電圧を検出するものとすることもできる。
【００７３】
また、端部付近のセルと、中央付近のセルにおいて、内部抵抗ｒａ，ｒｂ，ｒｃまたは位相値θａ，θｂ，θｃを比較し、掃気の制御を行う態様を示したが、一部のセルのみの電流と当該セルの電圧との両方に基づいて掃気の制御を行うようにすることもできる。
【００７４】
セルの電流および電圧が検出できるとき、一方が周期的に変化する場合に、一方と他方の位相のずれや、一方が変化する場合における電流と電圧の比に基づいて、当該セルの電気抵抗を求めることが可能である。この電気抵抗から当該セルの電解質膜の湿潤状態を推定することができる。この推定をするにあたって必要とされる電力として、燃料電池セルの発電電力を用いる場合には、抵抗値が可変の外部負荷を接続し、当該外部負荷の抵抗値を時系列的に変化させつつ推定することが可能である。これとは別に、電流を外部から供給する場合には、その供給電流を時系列的に変化させつつ推定しても良い。いずれの場合にも電流または電圧は周期的に変化させることが好ましい。
【００７５】
別の態様として、発電時におけるセルの電圧および電流と、当該セルがその電圧および電流を示す場合の含水量との対応関係をあらかじめ経験的（実験的）に求め、それらの対応関係から、掃気中の燃料電池内の水分量を推定し掃気を制御しても良い。この場合には、セルの電圧および電流と、セルの含水量との対応関係を示すデータベースを記憶する記憶装置を燃料電池システムが有し、当該記憶装置から読み出したデータベースから、掃気中に計測したセルの電圧および電流に対応づけられた水分量を取得し、掃気を制御することが好ましい。確認的であるが、このデータベースでは、電圧と電流との組に対し、それに対応づけられた水分量が好ましくは一意に特定できる。
【００７６】
以上の構成によれば、セルの電圧のみで診断する従来の構成を比較して、以下の効果を奏する。一般にセル電圧の低下は、セル内に水分が多い場合のみならず、セル内の水分が少ない場合にも生じる。前者は、凝縮水がガス流路または拡散層に存在することにより反応ガスの触媒層への供給が妨げられることに起因し、後者は、固体高分子膜の乾燥によりイオン交換性が低下することに起因する。このため、単にセル電圧のみで掃気の制御を実行すれば、本来セルが乾燥気味であるのにも拘わらず、水分過多と推定してしまうなどの水分量の推定ミスが生じる可能性が高くなる。これに対し、セルの電圧と、電流との両者に基づいて診断することにより、セルの電気抵抗、またはセル内の膜のイオンの交換度を介して、セルの水分量を推定できるため、推定精度が飛躍的に向上し、ひいては好適な湿潤状態で終了可能となるように掃気処理を実行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における掃気処理のフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの構成図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における掃気処理のフローチャートである。
【図５】本発明の変形例における掃気処理のフローチャートである。
【図６】本発明の変形例における掃気処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００７８】
１０  燃料電池、１２  燃料ガス供給装置、１２ａ  水素タンク、１２ｂ  コンプレッサ、１２ｃ  流量調整バルブ、１４  酸化剤供給装置、１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）セル電圧センサ、１８  インバータ、１９  制御部、２０  コンプレッサ、２２  空気三方弁、２４  温度センサ、２６  加湿器、２８  加湿制御弁、３０  負荷切替器、３２  定抵抗負荷。
【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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