(57)【要約】【課題】交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータを適正に補正することのできる燃料電池システムを提案する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池の交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータ９４と、燃料電池の水収支計算により算出した含水量と燃料電池の交流インピーダンスの実測値とに基づいてマップデータ９４の誤差を補正する補正部９５とを備える。交流インピーダンスと水分量との相関関係には、ある一定の水分量を超えると、交流インピーダンスの値が変化しない不感帯領域が存在する。不感帯領域では、水分量に関係なく、交流インピーダンスの値が略一定になるので、補正部９５はこの不感特性を利用することで、水分量の推定精度が低くても、マップデータ９４を高精度に補正できる。【選択図】図５
2008282682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータと、
前記燃料電池の水収支計算により算出した含水量と前記燃料電池の交流インピーダンスの実測値とに基づいて前記マップデータの誤差を補正する補正部と、
を備え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、
前記補正部は、前記相関関係の不感帯領域における前記燃料電池の交流インピーダンスの実測値に基づいて前記マップデータの誤差を補正する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記補正部は、前記燃料電池の運転状態を前記不感帯領域に強制的に遷移させて前記マップデータの誤差を補正する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記補正部は、氷点下始動時に前記燃料電池内部の氷が融解するときに吸熱する熱量に基づいて前記含水量を算出する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
燃料電池スタックの運転状態を最適に制御するための指標の一つとして、燃料電池スタックの交流インピーダンスが用いられている。この交流インピーダンスの値は、電解質膜の湿潤状態と相関関係を有しているので、交流インピーダンスの値を計測することで、電解質膜の湿潤状態を検出できる。例えば、特開平７−２３５３２４号公報には、燃料電池スタックの交流インピーダンスに基づいて燃料電池スタック内部の含水量を推定する方法が開示されている。電解質膜が水分過剰や水分不足の状態にあると、フラッディング現象やドライアウト現象により、燃料電池スタックの出力低下を招くので、電池運転を最適に制御するためには、電解質膜の湿潤状態を最適に維持する必要がある。
【特許文献１】特開平７−２３５３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池スタックの経年劣化が進行すると、交流インピーダンスと水分量との相関関係が次第に変化していくので、交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータは、実際の相関関係から乖離してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、上記の問題を解決し、交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータを適正に補正することのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、燃料電池の交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータと、燃料電池の水収支計算により算出した含水量と燃料電池の交流インピーダンスの実測値とに基づいてマップデータの誤差を補正する補正部を備える。
【０００７】
燃料電池の交流インピーダンスと水分量との相関関係は、燃料電池の経年劣化に伴い次第に変化していくので、燃料電池の水収支計算により算出した含水量と燃料電池の交流インピーダンスの実測値とを用いることにより、マップデータの誤差を補正することができる。
【０００８】
交流インピーダンスと水分量との相関関係には、ある一定の水分量を超えると、交流インピーダンスの値が変化しない不感帯領域が存在する。不感帯領域では、水分量に関係なく、交流インピーダンスの値が略一定になるので、補正部はこの不感特性を利用することで、水分量の推定精度が低くても、マップデータを高精度に補正できる。
【０００９】
補正部は、燃料電池の運転状態を不感帯領域に強制的に遷移させてマップデータの誤差を補正するのが好ましい。運転状態を不感帯領域に強制遷移するには、燃料電池内部に水が蓄積する方向に水収支バランスを制御すればよい。
【００１０】
補正部は、氷点下での暖機運転時に燃料電池内部の氷が融解するときに吸熱する熱量に基づいて含水量を算出することができる。燃料電池内部の含水量をＭｗ、暖機運転時に単位質量の氷につき単位時間あたりに加えられる加熱量をＱ、燃料電池内部の氷が完全に融解して水に相変化するまでに要する時間をΔｔ、水の単位質量あたりの融解熱をＣｗとすると、Ｍｗ＝Ｑ×Δｔ／Ｃｗの関係が成立する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータを適正に補正することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、電池運転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。
【００３０】
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。
【００３１】
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トルクが得られるように、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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導電性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気導電性を発揮する。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。
【００３４】
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に相当している。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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
図５は制御ユニット９０の機能ブロックを示す。
制御ユニット９０は、運転制御部９１、電圧指令部９２、交流インピーダンス測定部９３、マップデータ９４、及び補正部９５を備える。運転制御部９１は、電池運転制御に係わる各部（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であり、運転状態を最適に制御するための指標の一つとして、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを用いる。電圧指令部９２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に電圧指令値を出力する。交流インピーダンス測定部９３は、燃料電池スタック２０の電圧応答及び電流応答に基づいて交流インピーダンスを算出する。マップデータ９４は、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスと水分量との相関関係を保持する。マップデータ９４は、例えば、運転停止時に燃料電池スタック２０内部に掃気ガスを供給して、電解質膜２２の乾燥状態を適度に調整するための基準として用いられる他、燃料電池スタック２０の最大出力電力の演算などに用いられる。補正部９５は、経年劣化等に伴う交流インピーダンスと水分量との相関関係のずれを加味した上でマップデータ９４を補正する。
【００３９】
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９２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９３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。
【００４０】
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。
【００４１】
図６は交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータ９４の説明図である。横軸は燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを示し、縦軸は燃料電池スタック２０内部の水分量を示している。一般的に、水分量が多い程、電界質膜２２の導電性が高くなるので、交流インピーダンスは低くなる傾向がある。一方、水分量が少ない程、電界質膜２２の導電性が低くなるので、交流インピーダンスは高くなる傾向がある。
【００４２】
特性曲線９４Ａは、使用年数が比較的短い時期における交流インピーダンスと水分量との相関関係を示している。特性曲線９４Ｂは、使用年数が比較的長い時期における交流インピーダンスと水分量との相関関係を示している。使用年数が長くなり、経年劣化が進行すると、交流インピーダンスと水分量との相関関係は、特性曲線全体が横軸方向へ平行移動したものとほぼ等しくなることが判明している。このような特性を利用して、燃料電池スタック２０の経年劣化に伴う交流インピーダンスと水分量との相関関係の誤差を補正するには、ある特定の水分量に対応する交流インピーダンスを上記の手順により測定して得られる実測値と、マップデータ９４から算出した交流インピーダンスの理論値との差分（インピーダンス誤差）を求め、その差分だけ補正前の特性曲線９４Ａを横軸方向へ平行移動させることにより、補正後の特性曲線９４Ｂを得ることができる。
【００４３】
ところで、交流インピーダンスと水分量との相関関係には、ある一定の水分量を超えると、交流インピーダンスの値がほぼ一定になる不感帯領域が存在する。例えば、特性曲線９４Ａについては、水分量がＷ１を超えると、交流インピーダンスの値はＺ１（最小交流インピーダンス）を維持したまま変動しない。特性曲線９４Ｂについても同様に水分量がＷ１を超えると、交流インピーダンスの値はＺ２（最小交流インピーダンス）を維持したまま変動しない。このような不感特性を利用すれば、水分量に多少の推定誤差が含まれていたとしても、水分量Ｗ１以上の条件下で測定した交流インピーダンスの実測値と、マップデータ９４から算出した交流インピーダンスの理論値との差分を求めることにより、マップデータ９４を簡易かつ高精度に補正することができる。
【００４４】
マップデータ９４の補正精度を高める上で、燃料電池スタック２０内部の含水量推定精度は、できるだけ高精度であることが望ましい。含水量を推定する方法として、例えば、氷点下起動時であれば、水の融解熱を利用して含水量を算出する方法を適用し、常温運転時であれば、発電状態（エア流量、エア圧、発電電流、スタック温度など）に基づいて理論的に導出される水収支計算により含水量を算出する方法を適用することができる。
【００４５】
図７は氷点下始動時の燃料電池スタック２０の温度変化を示す。
時刻ｔ１は、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わり、制御ユニット９０に起動指示が入力された時点を示す。制御ユニット９０は、起動時のスタック温度が氷点下であることを検出すると、スタック温度が所定温度に達するまで暖機運転を開始する。暖機運転は、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転を実施することにより、燃料電池スタック２０の自己発熱量を増加させて燃料電池スタック２０を暖機してもよく、或いは専用の暖機装置を用いて燃料電池スタック２０を暖機してもよい。
【００４６】
制御ユニット９０はスタック温度が氷の融点Ｔｍに達するまでの時刻ｔ１から時刻ｔ２までの温度上昇度に基づいて、単位質量の氷につき単位時間あたりに加えられる加熱量Ｑを計算する。そして、制御ユニット９０は、燃料電池スタック２０内部の氷が完全に融解して水に相変化するまでに要する時間、即ち、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの経過時間Δｔを計測する。燃料電池スタック２０内部の含水量をＭｗ、水の単位質量あたりの融解熱をＣｗとすると、以下の（４）式が成立する。
Ｍｗ＝Ｑ×Δｔ／Ｃｗ  …（４）
【００４７】
図８は常温運転時における燃料電池スタック２０の水収支計算モデルを示す。
制御ユニット９０は、電流センサ７２を用いて計測したＦＣ電流値２０１にゲイン２０４を乗じることで、生成水量Ｗ１[g/sec]を算出する。ゲイン２０４は、スタックセル数／ＬＶＦＦ／２×１８の値を有する定数である。ここで、ＬＶＦＦは、ファラデー定数（９６５００Ｃ／ｍｏｌ）とする。制御ユニット９０は、温度センサ７４用いて計測したＦＣ温度２０２と、水飽和蒸気特性マップデータ２０５とから水蒸気圧Ｕ１を算出し、エア圧力センサ（図示せず）を用いてエア圧力値１０９（以下、エア圧力値Ｕ２と称する。）を計測する。そして、制御ユニット９０は、関数２０８に引数Ｕ１，Ｕ２を代入し、水蒸気と空気の分圧比Ｖ１を算出する。
【００４８】
制御ユニット９０は、電流センサ７２を用いて計測したＦＣ電流値２０１にゲイン２０７を乗じることで、エア消費量Ａ１[mol/sec]を算出する。ゲイン２０７は、スタックセル数／ＬＶＦＦ／４の値を有する定数である。制御ユニット９０は、燃料電池スタック２０の酸化オフガス出口付近に配設されているエア流量センサ（図示せず）を用いて、エア流量値２０３（以下、エア流量値Ａ２[mol/sec]と称する。）を計測する。そして、制御ユニット９０は、持ち去り水分に転換したエア流量Ｖ２をエア流量Ａ２−エア消費量Ａ１により算出する。制御ユニット９０は、乗算関数２１０に引数Ｖ１，Ｖ２を代入し、その返値にゲイン２１１を乗じることで、持ち去り水量Ｗ２[g/sec]を算出する。ゲイン２１１は、１８の値を有する定数である。持ち去り水量Ｗ２は、−１の値を有するゲイン２１３が乗じられて、符号が−になる。
【００４９】
制御ユニット９０は、加湿モジュール水蒸気交換率マップデータ２１２を基に、エア流量Ａ２に対応する水蒸気交換率Ｘ１を算出する。制御ユニット９０は、ＭＩＮ関数２１４に引数Ｗ１，Ｗ２を代入し、その返値をＸ２とする。ＭＩＮ関数２１４は、複数の引数のうち最小値をとるものを返値とする関数である。制御ユニット９０は、乗算関数２１５に引数Ｘ１，Ｘ２を代入し、その返値を加湿水量Ｗ３[g/sec]とする。制御ユニット９０は、加算関数２１６に引数Ｗ１，−Ｗ２，Ｗ３を代入し、その返値（Ｗ１−Ｗ２＋Ｗ３）を、燃料電池スタック２０内部に残留する水分量２１７とする。
【００５０】
次に、図９を参照しながら、交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータ９４を補正する手順について説明する。
制御ユニット９０は、燃料電池スタック２０の運転積算時間が所定の閾値を超えたか否かを判定する（ステップ９０１）。運転積算時間が閾値を超えているならば（ステップ９０１；ＹＥＳ）、燃料電池スタック２０に経年劣化が生じている可能性があるので、マップデータ９４を補正するための事前準備として、燃料電池スタック２０内部の含水量を計算する（ステップ９０２）。含水量の計算方法は、上述した融解熱を利用する方法でもよく、或いは上述した水収支計算モデルを利用する方法でもよい。
【００５１】
計算により求めた含水量がＷ１未満であるならば（ステップ９０３；ＮＯ）、制御ユニット９０は、燃料電池スタック２０内部に水が蓄積されていく方向に水収支バランスを制御する（ステップ９０４）。具体的には、制御ユニット９０は、ＦＣ電流２０１を増加させる制御操作や、加湿器３３による酸化ガスへの加湿量を増加させたりする制御操作等を実施することにより、生成水量Ｗ１又は加湿水量Ｗ３を増大させる。また、ＦＣ温度２０２を低くする制御操作やエア圧力値２０６を昇圧させる制御操作を実施して、持ち去り水量Ｗ２を低減させてもよい。制御ユニット９０は、燃料電池スタック２０に流出入する水収支を制御するための水収支制御手段として機能することができる。
【００５２】
そして、含水量がＷ１を超えると（ステップ９０３；ＹＥＳ）、制御ユニット９０は、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを測定する（ステップ９０５）。このとき測定される交流インピーダンスは、不感帯領域における交流インピーダンスであるため、含水量とは無関係にその値は一定である。制御ユニット９０は、不感帯領域における交流インピーダンスの実測値と、マップデータ９４から算出した交流インピーダンスの理論値との差分に基づいてマップデータ９４を補正する（ステップ９０６）。このとき、燃料電池スタック２０の温度特性を加味した上でマップデータ９４を補正するのが好ましい。
【００５３】
本実施形態によれば、交流インピーダンスと水分量との相関関係における不感特性を利用してマップデータ９４を補正するので、水分量の推定精度が低くても、マップデータ９４を高精度に補正できる。
【００５４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施形態に係わる燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】セルの分解斜視図である。
【図３】セルの電気的特性を示す等価回路図である。
【図４】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。
【図５】制御ユニットの機能ブロック図である。
【図６】交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータの説明図である。
【図７】氷点下始動時の燃料電池スタックの温度変化を示すグラフである。
【図８】常温運転時における燃料電池スタックの水収支計算モデルを示す説明図である。
【図９】交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータを補正するための処理ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５６】
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…運転制御部  ９２…電圧指令部  ９３…交流インピーダンス測定部  ９４…マップデータ  ９５…補正部
【図１】
2008282682.tif 000003
【図２】
2008282682.tif 000004
【図３】
2008282682.tif 000005
【図４】
2008282682.tif 000006
【図５】
2008282682.tif 000007
【図６】
2008282682.tif 000008
【図７】
2008282682.tif 000009
【図８】
2008282682.tif 000010
【図９】
2008282682.tif 000011