JP5790516B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池の運転停止時に、燃料電池の内部に掃気ガスを供給して燃料電池の内部に存する水分を除去する掃気処理を行う燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、燃料電池は、内部に多量の水分が残存すると、次回起動時の始動性の悪化や、内部の水分の凍結による配管等の破損を招く可能性がある。一方、燃料電池の内部の水分が不足気味であると、発電効率の低下を招いてしまう。

このため、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池内部の水分量と燃料電池のインピーダンスとの相関性を利用して、当該インピーダンスの変化に応じて、掃気処理の実行時間を調整するようにしている。具体的には、予め燃料電池内部が最適な水分量となる際の燃料電池のインピーダンスを目標値として設定し、掃気処理を開始した後、燃料電池のインピーダンスが目標値に一致した際に、掃気処理を終了するようにしている。

特開２００８−２８２６５８号公報

しかしながら、特許文献１では、燃料電池全体の出力電圧および出力電流を用いてインピーダンス（燃料電池全体のインピーダンス）を測定しているため、燃料電池内部が最適な水分量となるように掃気処理を実行することが困難である。

すなわち、掃気処理の実行時に掃気ガスとして空気を供給すると、各セルの空気入口側が水分不足となる一方、各セルの空気入口側の残存した水分が掃気ガスにより下流側に流れるため、各セルの空気出口側が水分過剰となる傾向がある。この際、燃料電池全体のインピーダンスは、各セルの空気入口側、空気出口側等の合成抵抗となることから、燃料電池内部の水分量との相関性にズレが生じる。つまり、掃気処理の実行時においては、燃料電池全体のインピーダンスが、予め目標値として設定した燃料電池内部が最適な水分量となる際のインピーダンスと一致しても、実際に燃料電池内部の水分量が最適な水分量から乖離することがある。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池内部が最適な水分量となるように掃気処理を実行可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、反応ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力するセル（１０）が複数積層された燃料電池（１）と、燃料電池（１）に所定周波数の交流信号を印加する信号印加手段（５２）と、信号印加手段（５２）にて交流信号を印加した際に、セル（１０）のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段（５１、１００）と、燃料電池（１）における反応ガスのガス流路に掃気用ガスを供給する掃気手段（２１、２３）と、燃料電池（１）の運転を停止する際に、インピーダンス測定手段（５１、１００）の測定値に基づいて、掃気手段（２１、２３）の作動を制御して反応ガスのガス流路に存する水分を排出する掃気処理を行う掃気実行手段（５０ａ）と、を備えている。そして、セル（１０）には、予め燃料電池（１）内部の総水分量が燃料電池（１）の起動時に燃料電池１に必要とされる必要水分量となるように掃気処理を行った際のセル（１０）内部の水分量分布に応じて湿潤領域（１０ｂ）および乾燥領域（１０ｃ）が設定されており、インピーダンス測定手段（５１、１００）は、セル（１０）における湿潤領域（１０ｂ）と乾燥領域（１０ｃ）との境に位置する局所部位（１０ｄ）のインピーダンスを測定するように構成され、掃気実行手段（５０ａ）は、インピーダンス測定手段（５１、１００）の測定値が基準閾値以上となった際に、掃気処理を終了すること特徴とする。

これによれば、セル（１０）における局所部位（１０ｄ）のインピーダンスを測定するので、測定したインピーダンスとセル（１０）の局所部位（１０ｄ）における水分量との相関関係のズレを抑制することができ、セル（１０）の局所部位（１０ｄ）における湿潤状態を適切に把握することができる。

さらに、セル（１０）における湿潤領域（１０ｂ）と乾燥領域（１０ｃ）との境に位置する局所部位（１０ｄ）が乾燥し、当該局所部位（１０ｄ）のインピーダンスが上昇した際に掃気処理を終了するので、掃気処理終了時の各セル（１０）内部の総水分量を、燃料電池（１）の起動時に各セル（１０）に必要とされる必要水分量となるように調整することが可能となる。

従って、本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池（１）を構成するセル（１０）内部が最適な水分量となるように掃気処理を実行することが可能となる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、セル（１０）は、電解質膜（１０１ａ）および電解質膜（１０１ａ）を狭持する一対の電極（１０１ｂ、１０１ｂ）で構成される膜電極接合体（１０１）を有し、湿潤領域（１０ｂ）および乾燥領域（１０ｃ）は、予め燃料電池（１）内部の総水分量が燃料電池（１）の起動時に燃料電池１に必要とされる必要水分量となるように掃気処理を行った際の膜電極接合体（１０１）における水分量分布に応じて設定されることを特徴とする。

このように、電解質膜（１０１ａ）における水分量だけでなく各電極（１０１ｂ、１０１ｃ）における水分量を含めた水分量分布に応じて湿潤領域（１０ｂ）および乾燥領域（１０ｃ）を設定すれば、掃気処理終了時の各セル（１０）内部の総水分量と、燃料電池（１）の起動時に各セル（１０）に必要とされる必要水分量とのズレを抑制することが可能となる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、掃気実行手段（５０ａ）は、燃料電池（１）の温度の低下に伴って基準閾値を大きくすることを特徴とする。

これによれば、燃料電池（１）の温度低下に伴うインピーダンスの増加を考慮して基準閾値を設定するので、より適切に掃気処理を終了させることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、インピーダンス測定手段（５１、１００）は、複数のセル（１０）のうち、少なくとも燃料電池（１）の積層方向の端部側に位置するセル（１０）、および燃料電池（１）の積層方向の端部以外に位置するセル（１０）のインピーダンスを測定するように構成されていることを特徴とする。

このように、インピーダンス測定手段（５１、１００）にて、燃料電池（１）における温度帯の異なるセル（１０）のインピーダンスを測定する構成とすれば、掃気処理時の燃料電池（１）全体の総水分量と、燃料電池（１）の起動時に燃料電池（１）全体として必要とされる必要水分量とのズレを抑制することが可能となる。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、信号印加手段（５２）は、予め定めた基準周波数以下の低周波数の交流信号を印加可能に構成され、インピーダンス測定手段（５１、１００）は、信号印加手段（５２）にて低周波数の交流信号を印加した際に、セル（１０）のインピーダンスを測定することを特徴とする。

これによれば、セル（１０）のインピーダンスの変化を早期に測定することができるので、より適切に掃気処理を終了させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 第１実施形態に係るセルの模式的な断面図である。 セル内部の水分量とインピーダンスとの関係を示す特性図である。 掃気処理を実行した際のセル内部の水分量とインピーダンスとの相関性のズレを説明するための説明図である。 セルにおけるインピーダンスを測定する局所部位を説明するための説明図である。 セルの発電領域に設定した湿潤領域および乾燥領域を説明するための説明図である。 第１実施形態に係る制御部が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。 掃気処理実行後のセルの発電領域におけるインピーダンスの変化を説明するための説明図である。 燃料電池の温度を変化させた際の燃料電池内部の水分量とインピーダンスとの関係を示す図表である。 燃料電池における積層方向の温度分布を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式的な全体構成図であり、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。この燃料電池１は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。なお、燃料電池１と電気負荷とは、後述するＤＣ−ＤＣコンバータ５２を介して電気的に接続されている。

本実施形態では燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１０が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。

具体的には、セル１０は、図２の模式的な断面図に示すように、電解質膜１０１ａの両側に触媒層および拡散層からなる一対の電極１０１ｂ、１０１ｃが配置された膜電極接合体１０１と、膜電極接合体１０１を狭持する空気側セパレータ１０２および水素側セパレータ１０３とで構成されている。

空気側セパレータ１０２は、後述する空気供給流路２０ａに接続される空気入口部１０２ａ、後述する空気排出流路２０ｂに接続される空気出口部１０２ｂ、および空気入口部１０２ａから空気出口部１０２ｂへ空気を流すための空気流通用溝１０２ｃが形成されている。

一方、水素側セパレータ１０３は、後述する水素供給流路３０ａに接続される水素入口部１０３ａ、後述する水素排出流路３０ｂに接続される水素出口部１０３ｂ、および水素入口部１０３ａから水素出口部１０３ｂへ空気を流すための水素流通用溝１０３ｃが形成されている。

本実施形態の空気側セパレータ１０２の空気流通用溝１０２ｃおよび水素側セパレータ１０３の水素流通用溝１０３ｃは、空気の流れと水素の流れが対向流となるように形成されている。なお、セル１０内部では、空気側セパレータ１０２における空気出口部１０２ｂ付近で水が滞留し易い領域となっている。

このように構成される各セル１０では、以下に示す反応ガス（水素および酸素）との電気化学反応により電気エネルギを出力する。

（負極側：アノード）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側：カソード）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
図１に戻り、燃料電池システムには、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ１１と燃料電池１の出力電流を検出する電流センサ１２とが設けられている。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、燃料電池１および電気負荷の双方の電力を伝達可能なパワーコントロールユニットとして機能する。本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、燃料電池１の出力電流に任意の周波数で交流信号を重畳可能に構成されている。なお、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２が信号印加手段を構成している。

さらに、燃料電池１の積層方向の中央部には、積層されたセル１０の間に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２により交流信号が燃料電池１に印加された際、燃料電池１のセル面内の局所部位１０ｄにおけるインピーダンスを測定するためのインピーダンス測定部１００が設けられている。本実施形態のインピーダンス測定部１００は板状部材として構成されている。インピーダンス測定部１００は、隣り合うセル１０に挟まれて配置されており、隣り合うセル１０と電気的に直列接続されている。

具体的には、インピーダンス測定部１００は、燃料電池１のセル面内の局所部位１０ｄを流れる局所電流を検出する局所電流センサ（図示略）、およびセル電圧を検出するセル電圧センサ（図示略）を有し、各センサの検出信号を、後述の信号処理回路５１に入力するように構成されている。なお、セル１０におけるインピーダンスを測定する局所部位１０ｄについては後述する。

また、燃料電池システムには、各セル１０のカソード（正極）１０１ｂ側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１のアノード（負極）１０１ｃ側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。また、空気排出流路２０ｂには、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。

水素排出流路３０ｂには、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループを構成する水素循環流路３０ｃが分岐して設けられており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１に再供給するようにしている。そして、水素循環流路３０ｃには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３３が設けられている。

燃料電池１は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。

冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。また、冷却水経路４０における燃料電池１の出口側付近には、燃料電池１から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６により冷却水温度を検出することで、燃料電池１の温度を間接的に検出することができる。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部５０には、電圧センサ１１、電流センサ１２からの検出信号および信号処理回路５１からの信号が入力される。また、制御部５０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等に制御信号を出力する。

本実施形態の制御部５０は、燃料電池１の運転を停止する際に、信号処理回路５１からの信号に基づいて、空気ポンプ２１および空気調圧弁２３の作動を制御して、燃料電池１の反応ガスのガス流路に存する水分を排出する掃気処理を実行する。

なお、本実施形態では、空気ポンプ２１および空気調圧弁２３が、燃料電池１における反応ガスのガス流路に掃気用ガスとしての空気を供給する掃気手段に相当し、制御部５０における掃気処理を実行する構成５０ａが掃気実行手段を構成している。

燃料電池システムには、インピーダンス測定部１００からの信号を処理する信号処理回路５１が設けられている。信号処理回路５１は、インピーダンス測定部１００にて検出した局所電流およびセル電圧を用いて、周知の交流インピーダンス法によりセル１０における局所部位１０ｄのインピーダンスを測定するように構成されている。信号処理回路５１は、セル１０における局所部位１０ｄのインピーダンスの測定結果を制御部５０に出力する。なお、インピーダンス測定部１００および信号処理回路５１がインピーダンス測定手段を構成している。

ここで、図３は、燃料電池１内部の水分量とインピーダンスと理想的な関係を示しており、図３に示すように、燃料電池１内部の水分量とインピーダンスとは相関関係がある。すなわち、燃料電池１内部の水分量が減少すると、電解質膜１０１ａが乾燥して電解質膜１０１ａの導電率が低下し、電解質膜１０１ａの抵抗（膜抵抗）が増加することで、燃料電池１の各セル１０のインピーダンスが増加する。

従って、各セル１０のインピーダンスを用いて燃料電池１の各セル１０内部の水分量を推定することができる。この結果、燃料電池１の運転時には、各セル１０内部の水分量の推定結果に応じて、各種制御機器２１、２２、２３、３２、３３等の作動を制御することで、各セル１０内部の水分量を最適に調整することが可能となる。

図４は、掃気処理を実行した際の燃料電池１内部の水分量とインピーダンスとの相関性のズレを説明するための説明図である。掃気処理の実行時には、燃料電池１の各セル１０の空気入口部１０２ａ付近が水分不足となる一方、各セル１０の空気出口部１０２ｂ付近が水分過剰となる。これにより、掃気処理の実行時には、図４に示すように、各セル１０の空気入口部１０２ａ付近でインピーダンスが上昇し、空気出口部１０２ｂ付近でインピーダンスが低下する。この際、燃料電池１全体のインピーダンスは、各セル１０の空気入口部１０２ａ付近、空気出口部１０２ｂ付近等の合成抵抗となることから、燃料電池１内部の水分量との相関性にズレが生じる。

そこで、本実施形態では、掃気処理の実行時における燃料電池１内部の水分量とインピーダンスの測定値のズレを抑制するために、インピーダンス測定部１００に隣接するセル１０における局所部位１０ｄのインピーダンスを測定するようにしている。

図５は、セル１０におけるインピーダンスを測定する局所部位１０ｄを説明するための説明図である。なお、図５は、図２のＡ方向からセル１０を見た際の矢視図である。

図５に示すように、インピーダンス測定部１００は、セル１０の発電領域１０ａに予め設定した湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃの境に位置する局所部位１０ｄのインピーダンスを測定するようにしている。なお、局所部位１０ｄは、湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃの境そのものでなく、湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃの境を含む局所的な部位である。

ここで、セル１０の発電領域１０ａに設定した湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃについて図６を用いて説明する。図６は、セル１０の発電領域１０ａに設定した湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃを説明するための説明図である。

まず、予め燃料電池１内部の総水分量が、図６に示す燃料電池１の起動時にセル１０に必要とされる必要水分量となるように掃気処理を行う。なお、必要水分量は、図６に示すように、燃料電池１の起動時の始動性等が悪化を招かない水分量を上限とすると共に、燃料電池１の発電効率の低下を招かない水分量を下限（例えば、上限の１／３程度）とする範囲内に設定されている。

そして、掃気処理を完了した際のセル１０内部の水分量分布に応じて湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃを設定する。具体的には、掃気処理の完了した際、発電領域１０ａ内において予め定めた基準水分量以上となる領域を湿潤領域１０ｂとして設定し、基準水分量未満となる領域を乾燥領域１０ｃとして設定する。なお、本実施形態では、予め燃料電池１内部の総水分量が燃料電池１の起動時に燃料電池１に必要とされる必要水分量となるように掃気処理を行った際の膜電極接合体１０１における水分量分布に応じて湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃを設定する。

このようにセル１０の発電領域１０ａに設定された湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃの境に位置する局所部位１０ｄでは、掃気処理の実行時に、燃料電池１内の水分量が燃料電池１の起動時に燃料電池１に必要とされる必要水分量程度となる際にインピーダンスの増加が顕著となる。

このため、湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃの境に位置する局所部位１０ｄのインピーダンスの測定値に応じて、掃気処理の終了タイミングを調整することで、掃気処理終了時の燃料電池１内部の総水分量を、燃料電池１の起動時に燃料電池１の各セル１０に必要とされる必要水分量となるように調整することが可能となる。

次に、本実施形態の制御部５０が実行する掃気処理の流れを図７に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図７に示す制御ルーチンは、燃料電池１の運転が開始される際に実行される。

図７に示すように、まず、制御部５０は、燃料電池１の通常運転を実行する（Ｓ１０）。ここで、通常運転では、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように反応ガスが供給された状態で燃料電池１が運転される。

続いて、燃料電池１の運転を停止するか否かを判定する（Ｓ２０）。この判定処理では、例えば、上位システムからの運転停止指令の有無により燃料電池１の運転停止の可否を判定する。

ステップＳ２０の判定処理にて、燃料電池１の運転を停止しないと判定された場合、ステップＳ１０の通常運転を継続し、燃料電池１の運転を停止すると判定された場合、燃料電池１の反応ガスのガス流路に存する水分を排出する掃気処理を実行する（Ｓ３０）。

続いて、掃気処理の実行中にセル１０に予め設定した湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃの境に位置する局所部位１０ｄのインピーダンスを測定する（Ｓ４０）。この処理では、信号印加手段としてのＤＣ−ＤＣコンバータ５２により、予め定めた基準周波数以下の低周波数（例えば、１０Ｈｚ）の交流信号を燃料電池１の出力電流に印加し、インピーダンス測定部１００にてセル１０の局所部位１０ｄの局所電流およびセル電圧を検出する。そして、信号処理回路５１にて、インピーダンス測定部１００からの検出信号を用いてセル１０の局所部位１０ｄのインピーダンスを算出する。

ここで、セル１０の発電領域１０ａにおける掃気処理実行後のインピーダンスの変化について図８を用いて説明する。図８（ａ）は、セル１０の発電領域１０ａにおけるインピーダンスの各測定領域を説明するための説明図であり、図８（ｂ）は、セル１０に設定された各測定領域における掃気処理実行後のインピーダンスの実数部の変化量を示す図表である。

本実施形態では、図８に示すように、セル１０の発電領域１０ａ内における空気入口部１０２ａから空気出口部１０２ｂに並ぶ８つの測定領域Ｘ１〜Ｘ８を設定し、当該測定領域Ｘ１〜Ｘ８における掃気処理実行後のインピーダンスの実数部の変化量を測定した。

この結果、掃気処理実行後、最も空気入口部１０２ａに近い測定領域Ｘ１がインピーダンスの実数部の変化量が大きく、空気出口部１０２ｂに近づくに従って、インピーダンスの実数部の変化量が小さくなっていくことがわかる。

続いて、セル１０の局所部位１０ｄのインピーダンスを用いて掃気処理の終了判定を行う（Ｓ５０）。具体的には、ステップＳ４０の処理で算出したセル１０の局所部位１０ｄのインピーダンスが、予め定めた基準閾値を上回っているか否かにより掃気処理の終了判定を行う。基準閾値は、予め燃料電池１内部の水分量が燃料電池１の起動時に燃料電池１に必要とされる必要水分量程度となる際の局所部位１０ｄのインピーダンスを設定することができる。

ステップＳ５０の判定処理にて、局所部位１０ｄのインピーダンスが基準閾値以下と判定された場合には、ステップＳ３０に戻って掃気処理を継続し、局所部位１０ｄのインピーダンスが基準閾値を上回っていると判定された場合には、掃気処理を終了する。

掃気処理の終了後、燃料電池１内部に偏って残存する水分は、時間経過と共に内部に拡散するので、燃料電池１の次回起動時における燃料電池１内部の水分状態を適切な状態とすることができる。

以上説明した本実施形態によれば、セル１０における局所部位１０ｄのインピーダンスを測定するので、測定したインピーダンスとセル１０内部の局所部位１０ｄの水分量との相関関係のズレを抑制することができ、セル１０の局所部位１０ｄにおける湿潤状態を適切に把握することができる。

さらに、セル１０における湿潤領域１０ｂと乾燥領域１０ｃとの境に位置する局所部位１０ｄが乾燥し、当該局所部位１０ｄのインピーダンスが上昇した際に掃気処理を終了するので、掃気処理終了時の燃料電池１内部の総水分量を、燃料電池１の起動時に、燃料電池１に必要とされる必要水分量となるように調整することが可能となる。

従って、本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池１を構成するセル１０内部が最適な水分量となるように掃気処理を実行することが可能となる。

また、本実施形態では、予め掃気処理を行った際の膜電極接合体１０１における水分量分布に応じて湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃを設定している。このように、電解質膜１０１ａの水分量だけでなく各電極１０１ｂの水分量を含めた水分量分布に応じて湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃを設定すれば、掃気処理終了時の燃料電池１内部の総水分量と、燃料電池１の起動時に、燃料電池１に必要とされる必要水分量とのズレを抑制することが可能となる。

さらに、本実施形態では、信号印加手段としてのＤＣ−ＤＣコンバータ５２で、低周波数の交流信号を燃料電池１の出力電流に印加した際のセル１０の局所部位１０ｄのインピーダンスを測定するようにしている。

これにより、各電極１０１ｂ、１０１ｃの拡散層における水分量の変化を推定することができ、セル１０のインピーダンスの変化を早期に測定することができる。このため、より適切に掃気処理を終了させることができる。なお、各電極１０１ｂ、１０１ｃの拡散層は、掃気処理を実行した際に電解質膜１０１ａよりも早く水分量が変化する傾向がある。

（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。上述の第１実施形態では、掃気処理の終了判定（Ｓ５０）を予め定めた基準閾値を用いて行うようにしているが、本実施形態では、燃料電池１の温度に応じて基準閾値を可変させるようにしている。

図９は、燃料電池１の温度を変化させた際の燃料電池１内部の水分量とインピーダンスとの関係を示す図表である。図９に示すように、燃料電池１におけるインピーダンスは、燃料電池１内部の水分量が同等であっても、燃料電池１の温度が低下に伴い増加する傾向がある（アレニウスの法則）。

このため、本実施形態の掃気処理では、燃料電池１の温度の低下に伴って、基準閾値を大きくするようにしている。具体的には、予め燃料電池１の温度と基準閾値との温度関係を規定した制御マップを制御部５０のＲＡＭ等に記憶し、掃気処理の実行中に温度センサ４６の検出値、および制御マップを用いて基準閾値を決定する。

本実施形態の如く、燃料電池１の温度低下に伴って、基準閾値を大きくすることで、より適切に掃気処理を終了させることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態で説明したように、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２で低周波数の交流信号を燃料電池１の出力電流に印加した際のセル１０の局所部位１０ｄのインピーダンスを測定することが好ましいが、これに限らず、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２で高周波数の交流信号や低周波数の信号と高周波数の信号を合成した交流信号を燃料電池１の出力電流に印加し、その際のセル１０の局所部位１０ｄのインピーダンスを測定するようにしてもよい。

なお、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２にて燃料電池１の出力電流に交流信号を重畳させる構成としているが、これに限定されず、例えば、燃料電池１の出力電流に交流信号を重畳させる発振器を設ける構成としてもよい。

（２）上述の各実施形態で説明したように、予め掃気処理を行った際の膜電極接合体１０１における水分量分布に応じて湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃを設定することが好ましいが、これに限らず、例えば、予め掃気処理を行った際の電解質膜１０１ａにおける水分量分布に応じて湿潤領域１０ｂおよび乾燥領域１０ｃを設定するようにしてもよい。

（３）上述の各実施形態では、燃料電池１の積層方向の中央部にインピーダンス測定部１００を配置する例について説明したが、これに限定されない。燃料電池１は、図１０（ｂ）に示すように、積層方向の中央部と端部とで温度差がある。このため、図１０（ａ）に示すように、インピーダンス測定部１００を、燃料電池１の積層方向の端部側、および端部以外の位置（好ましくは、中央部）に配置するようにし、各測定値の平均値を用いて掃気処理の終了判定を行うようにしてもよい。このように、燃料電池１の積層方向の端部側、および端部以外といった温度帯の異なるインピーダンスを測定する構成とすれば、掃気処理時の燃料電池１全体の総水分量と、燃料電池１の起動時に燃料電池１全体として必要とされる必要水分量とのズレを抑制することが可能となる。なお、図１０は、燃料電池１における積層方向の温度分布を説明するための説明図である。

（４）上述の各実施形態では、本発明の燃料電池システムを電気自動車に適用した例を説明したが、これに限らず、船舶およびポータブル発電機等の移動体や、定置きの発電機に適用してもよい。

１ 燃料電池
１０ セル
１０ｂ 湿潤領域
１０ｃ 乾燥領域
１０ｄ 局所部位
５０ａ 掃気実行手段
５１ インピーダンス測定部（インピーダンス測定手段）
５２ ＤＣ−ＤＣコンバータ（信号印加手段）
１００ 信号処理回路（インピーダンス測定手段）

Claims (5)

1. 反応ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力するセル（１０）が複数積層された燃料電池（１）と、
   前記燃料電池（１）に所定周波数の交流信号を印加する信号印加手段（５２）と、
   前記信号印加手段（５２）にて前記交流信号を印加した際に、前記セル（１０）のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段（５１、１００）と、
   前記燃料電池（１）における反応ガスのガス流路に掃気用ガスを供給する掃気手段（２１、２３）と、
   前記燃料電池（１）の運転を停止する際に、前記インピーダンス測定手段（５１、１００）の測定値に基づいて、前記掃気手段（２１、２３）の作動を制御して前記反応ガスのガス流路に存する水分を排出する掃気処理を行う掃気実行手段（５０ａ）と、を備え、
   前記セル（１０）には、予め前記燃料電池（１）内部の総水分量が前記燃料電池（１）の起動時に前記燃料電池１に必要とされる必要水分量となるように前記掃気処理を行った際の前記セル（１０）内部の水分量分布に応じて湿潤領域（１０ｂ）および乾燥領域（１０ｃ）が設定されており、
   前記インピーダンス測定手段（５１、１００）は、前記セル（１０）における前記湿潤領域（１０ｂ）と前記乾燥領域（１０ｃ）との境に位置する局所部位（１０ｄ）のインピーダンスを測定するように構成され、
   前記掃気実行手段（５０ａ）は、前記インピーダンス測定手段（５１、１００）の測定値が基準閾値以上となった際に、前記掃気処理を終了すること特徴とする燃料電池システム。
2. 前記セル（１０）は、電解質膜（１０１ａ）および前記電解質膜（１０１ａ）を狭持する一対の電極（１０１ｂ、１０１ｂ）で構成される膜電極接合体（１０１）を有し、
   前記湿潤領域（１０ｂ）および前記乾燥領域（１０ｃ）は、予め前記燃料電池（１）内部の総水分量が前記燃料電池（１）の起動時に前記燃料電池１に必要とされる必要水分量となるように前記掃気処理を行った際の前記膜電極接合体（１０１）における水分量分布に応じて設定され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。
3. 前記掃気実行手段（５０ａ）は、前記燃料電池（１）の温度の低下に伴って前記基準閾値を大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記インピーダンス測定手段（５１、１００）は、複数の前記セル（１０）のうち、少なくとも前記燃料電池（１）の積層方向の端部側に位置する前記セル（１０）、および前記燃料電池（１）の積層方向の端部以外に位置する前記セル（１０）のインピーダンスを測定するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記信号印加手段（５２）は、予め定めた基準周波数以下の低周波数の前記交流信号を印加可能に構成され、
   前記インピーダンス測定手段（５１、１００）は、前記信号印加手段（５２）にて低周波数の前記交流信号を印加した際に、前記セル（１０）のインピーダンスを測定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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