燃料電池システム
【課題】簡素な構成で、燃料電池内の水素濃度を算出可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アノードガスである水素を用いて発電する燃料電池１を備える燃料電池システム１００であって、燃料電池１の出力信号に基づいて、燃料電池１の内部インピーダンスの位相特性を算出する位相特性算出手段Ｓ２０４と、内部インピーダンスの位相特性に基づいて、燃料電池１内の水素濃度を算出する水素濃度算出手段Ｓ２０５と、を備えることを特徴とする。
【解決手段】アノードガスである水素を用いて発電する燃料電池１を備える燃料電池システム１００であって、燃料電池１の出力信号に基づいて、燃料電池１の内部インピーダンスの位相特性を算出する位相特性算出手段Ｓ２０４と、内部インピーダンスの位相特性に基づいて、燃料電池１内の水素濃度を算出する水素濃度算出手段Ｓ２０５と、を備え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、アノードガス及びカソードガスを供給して燃料電池を発電させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、システム運転状態等を把握するため、燃料電池スタック内におけるアノードガス（水素）の濃度を算出している。特許文献１には、アノード系内の水素の圧力損失及び水蒸気や窒素等の不純ガスの組成等に基づいて、燃料電池スタック内の水素濃度を算出する燃料電池システムが開示されている。
【０００３】
その他、関連する公知文献発明としては、特許文献２〜７に記載の発明等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１０６５３号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２０２６号公報
【特許文献３】特開２００８−２１８１０６号公報
【特許文献４】特開２００５−３２７５９７号公報
【特許文献５】特開２００６−０８６１１７号公報
【特許文献６】特開２００６−２０９９９６号公報
【特許文献７】特開２００６−１５６０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素還流通路に設けられた逆止弁の上流側及び下流側の圧力に基づいて水素の圧力損失を検出するための差圧計が必要となり、水素濃度を算出するシステム構成が比較的複雑なものとなっている。
【０００６】
そこで、本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で、燃料電池内の水素濃度を算出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】
【０００７】
本発明は、アノードガスである水素を用いて発電する燃料電池を備える燃料電池システムである。燃料電池システムは、燃料電池の出力信号に基づいて燃料電池の内部インピーダンスの位相特性を算出する位相特性算出手段と、内部インピーダンスの位相特性に基づいて燃料電池内の水素濃度を算出する水素濃度算出手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力信号から得られる燃料電池の内部インピーダンスの位相特性に基づいて燃料電池内における水素濃度を算出するように構成されているので、簡素な構成で燃料電池内の水素濃度の算出が可能となる。
【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構成図である。
【図２】燃料電池システムにおける脈動運転を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】燃料電池の等価回路を示す模式図である。
【図４】燃料電池システムが備えるコントローラが実行する燃料電池スタックの内部インピーダンス算出処理のフローチャートである。
【図５】逆ノッチフィルタの周波数−振幅特性を示す図である。
【図６】１ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタックの内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。
【図７】燃料電池スタック内の水素濃度と内部インピーダンスの位相遅れとの関係を示す図である。
【図８】コントローラが実行する水素濃度算出処理を示すフローチャートである。
【図９】交流電流に対する交流電圧の位相遅れと、水素濃度との関係を示す図である。
【図１０】コントローラが実行する不純ガス排出処理を示すフローチャートである。
【図１１】水素濃度とパージ弁開度との関係を示す図である。
【図１２】システム始動時にコントローラが実行する水素供給処理を示すフローチャートである。
【図１３】システム始動時における水素濃度と目標アノード入口圧力との関係を示す図である。
【図１４】システム始動時における水素濃度と圧力上昇速度との関係を示す図である。
【図１５】システム始動後発電中にコントローラが実行する水素供給処理を示すフローチャートである。
【図１６】発電中における水素濃度と目標アノード入口下限圧力との関係を示す図である。
【図１７】発電中における水素濃度とアノード圧力上昇代との関係を示す図である。
【図１８】１ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタックの内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。
【図１９】第２実施形態による燃料電池システムのコントローラが実行する水素濃度算出処理を示すフローチャートである。
【図２０】燃料電池スタックの内部インピーダンスの虚部成分と、水素濃度との関係を示す図である。
【図２１】周波数と、交流電流及び交流電圧との関係を示す図である。
【図２２】燃料電池スタックの出力信号である交流電流及び交流電圧を離算フーリエ変換して、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出した時の算出結果を示す図である。
【図２３】第３実施形態による燃料電池システムのコントローラが備える演算部を示すブロック図である。
【図２４】演算部の除算部、逆余弦算出部、及び単位変換ゲイン部での演算内容を模式的に表わした図である。
【図２５】演算部によって算出される交流電流に対する交流電圧の位相遅れを示す図である。
【図２６】アノードガス循環型の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２７】アノードガス循環型の燃料電池システムのコントローラが実行するアノードガス循環処理を示すフローチャートである。
【図２８】水素濃度と循環ポンプ回転速度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【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、電解質膜を燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とで挟んで構成されており、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。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気化学反応は、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】
これら（１）（２）の電気化学反応によって、燃料電池は１Ｖ（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、車両を駆動させるための電力を取り出す。
【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の概略構成図である。
【００１６】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス供給装置２と、カソードガス供給装置３と、冷却装置４と、インバータ５と、駆動モータ６と、バッテリ７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８と、コントローラ６０と、を備える。
【００１７】
燃料電池スタック１は、所定枚数の燃料電池１０を積層して構成されている。燃料電池スタック１は、アノードガスとしての水素及びカソードガスとしての空気の供給を受けて発電し、車両を駆動する駆動モータ６等の各種電装部品に電力を供給する。燃料電池スタック１は、電力を取り出すための出力端子として、アノード側端子１１とカソード側端子１２とを有している。
【００１８】
アノードガス供給装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、調圧弁２３と、圧力センサ２４と、アノードガス排出通路２５と、バッファタンク２６と、パージ通路２７と、パージ弁２８と、を備える。
【００１９】
高圧タンク２１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスとしての水素を高圧状態に保って貯蔵する容器である。
【００２０】
アノードガス供給通路２２は、高圧タンク２１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路２２の一端は高圧タンク２１に接続され、他端は燃料電池スタック１のアノードガス入口部に接続される。
【００２１】
調圧弁２３は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であって、アノードガス供給通路２２に設置される。調圧弁２３は、高圧タンク２１から排出された高圧状態のアノードガスを所定の圧力に調節する。調圧弁２３の開度はコントローラ６０によって制御される。
【００２２】
圧力センサ２４は、調圧弁２３よりも下流側のアノードガス供給通路２２に設けられる。圧力センサ２４は、アノードガス供給通路２２を流れるアノードガスの圧力を検出する。圧力センサ２４で検出されたアノードガスの圧力は、バッファタンク２６や燃料電池スタック１内部のアノードガス流路等を含むアノード系全体の圧力を代表する。
【００２３】
アノードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１とバッファタンク２６とを連通する通路である。アノードガス排出通路２５の一端は燃料電池スタック１のアノードガス出口部に接続され、他端はバッファタンク２６の上部に接続される。アノードガス排出通路２５には、電気化学反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、燃料電池スタック１内においてカソード側からアノードガス流路へとリーク（クロスオーバー）してきた窒素や水蒸気等を含む不純ガスとの混合ガス（以下、「アノードオフガス」という。）が排出される。
【００２４】
バッファタンク２６は、アノードガス排出通路２５を流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える容器である。アノードオフガスに含まれる水蒸気の一部は、バッファタンク２６内で凝縮して凝縮水となり、アノードオフガスから分離される。
【００２５】
パージ通路２７は、バッファタンク２６を外部に連通させる排出通路である。パージ通路２７の一端はバッファタンク２６の下部に接続され、パージ通路２７の他端は開口端として形成される。バッファタンク２６に蓄えられたアノードオフガスは、後述のカソードガス排出通路３５からパージ通路２７に流入するカソードオフガスによって稀釈され、凝縮水とともにパージ通路２７の開口端から外部へ排出される。
【００２６】
パージ弁２８は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であり、パージ通路２７に設置される。パージ弁２８の開度を調節することで、パージ通路２７から外部へ排出されるアノードオフガスの流量が調整される。パージ弁２８の開度はコントローラ６０によって制御される。
【００２７】
カソードガス供給装置３は、カソードガス供給通路３１と、フィルタ３２と、コンプレッサ３３と、圧力センサ３４と、カソードガス排出通路３５と、調圧弁３６と、を備える。
【００２８】
カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスである空気が流れる通路である。カソードガス供給通路３１の一端はフィルタ３２に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口部に接続される。
【００２９】
フィルタ３２は、外部から取り込まれる空気に含まれる塵や埃等の異物を除去するものである。フィルタに３２によって異物が除去された空気が、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスとなる。
【００３０】
コンプレッサ３３は、フィルタ３２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路３１に設置される。コンプレッサ３３は、フィルタ３２を介して取り込まれたカソードガスを燃料電池スタック１に圧送する。
【００３１】
圧力センサ３４は、コンプレッサ３３よりも下流側のカソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ３４は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの圧力を検出する。圧力センサ３４で検出されたカソードガスの圧力は、燃料電池スタック１内部のカソードガス流路等を含むカソード系全体の圧力を代表する。
【００３２】
カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１とアノードガス供給装置２のパージ通路２７とを連通する通路である。カソードガス排出通路３５の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口部に接続され、他端はパージ弁２８よりも下流側のパージ通路２７に接続される。燃料電池スタック１において電気化学反応に使用されなかったカソードガスは、カソードオフガスとして、カソードガス排出通路３５を介してパージ通路２７に排出される。
【００３３】
調圧弁３６は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であって、カソードガス排出通路３５に設置される。調圧弁３６は、コントローラ６０によって開度が制御され、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調整する。
【００３４】
冷却装置４は、冷却水によって燃料電池スタック１を冷却するための装置である。冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水循環ポンプ４２と、ラジエータ４３と、冷却水温度センサ４４，４５と、を備える。
【００３５】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が流れる通路である。冷却水循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却水入口部に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却水出口部に接続される。
【００３６】
冷却水循環ポンプ４２は、冷却水を循環させる圧送装置であって、冷却水循環通路４１に設置される。
【００３７】
ラジエータ４３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ための放熱器であって、冷却水循環ポンプ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設置される。
【００３８】
冷却水温度センサ４４，４５は、冷却水の温度を検出するセンサである。冷却水温度センサ４４は、燃料電池スタック１の冷却水入口部寄りの冷却水循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度を検出する。これに対して、冷却水温度センサ４５は、燃料電池スタック１の冷却水出口部寄りの冷却水循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。
【００３９】
インバータ５は、スイッチ部５１及び平滑コンデンサ５２を備え、アノード側端子１１及びカソード側端子１２を介して燃料電池スタック１に電気的に接続される。スイッチ部５１は、複数のスイッチング素子から構成され、直流を交流に又は交流を直流に変換する。平滑コンデンサ５２は、燃料電池スタック１と並列に接続されて、スイッチ部５１でのスイッチング等によって生じるリプルを抑制する。
【００４０】
駆動モータ６は、三相交流モータであって、インバータ５から供給される交流電流によって作動して、車両を駆動させるトルクを発生する。
【００４１】
バッテリ７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して、駆動モータ６及び燃料電池スタック１と電気的に接続される。バッテリ７は、リチウムイオン二次電池等の充放電可能な二次電池である。
【００４２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック１に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック１の電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機であり、直流入力から直流出力を得るとともに入力電圧を任意の出力電圧に変換する。
【００４３】
コントローラ６０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６０には、圧力センサ２４，３４や冷却水温度センサ４４，４５の他に、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ６１や燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ６２、車両に備えられるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ６３、バッテリ７の充電量を検出するＳＯＣセンサ６４からの検出信号が、燃料電池システム１００の運転状態を検出するための信号として入力する。
【００４４】
コントローラ６０は、これらの入力信号に基づいて調圧弁２３を周期的に開閉して、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行う。アノードガス非循環型の燃料電池システム１００の場合、調圧弁２３を開いたままにして高圧タンク２１から燃料電池スタック１にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック１から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスがパージ通路２７を介して外部へ排出され続けてしまうので、アノードガスを無駄に使用することとなる。
【００４５】
そこで、本実施形態では、調圧弁２３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うのである。脈動運転を行うことで、バッファタンク２６に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック１に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができ、外部へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。
【００４６】
図２を参照して、燃料電池システム１００での脈動運転について説明する。図２は、燃料電池システム１００の定常運転時における脈動運転について説明する図である。
【００４７】
図２（Ａ）に示すように、コントローラ６０は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて燃料電池スタック１の目標出力を算出し、目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。
【００４８】
具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図２（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁２３を開く。この状態のときは、アノードガスは高圧タンク２１から燃料電池スタック１に供給され、バッファタンク２６へと排出される。
【００４９】
時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図２（Ｂ）に示すように調圧弁２３を全閉とし、高圧タンク２１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止する。そうすると、前述した（１）の電気化学反応によって、燃料電池スタック１内のアノードガス流路に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費され、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。
【００５０】
燃料電池スタック１内のアノードガスがある程度消費されると、バッファタンク２６の圧力が一時的に燃料電池スタック１のアノードガス流路の圧力よりも高くなるため、バッファタンク２６から燃料電池スタック１へとアノードオフガスが逆流する。その結果、燃料電池スタック１のアノードガス流路に残されたアノードガスと、バッファタンク２６から逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費される。
【００５１】
時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１の時と同様に調圧弁２３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁２３を全閉とする。このように調圧弁２３を周期的に開閉することで、脈動運転が行われる。
【００５２】
上記した燃料電池システム１００では、システム運転状態を正常に維持するため、燃料電池スタック１の内部インピーダンス（燃料電池１０の電解質膜の内部インピーダンス）を算出して燃料電池スタック１の含水量（燃料電池１０の電解質膜の湿潤度）等を管理したり、燃料電池スタック１内におけるアノードガス濃度（以下、水素濃度という。）を算出してアノード系内における不純ガスの蓄積状態等を管理したりする。
【００５３】
まず、図３〜図５を参照して、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの算出について説明する。
【００５４】
図３は、燃料電池（燃料電池スタック）の等価回路を示す模式図である。図４は、コントローラ６０が実行する燃料電池スタック１の内部インピーダンス算出処理のフローチャートである。図５は、逆ノッチフィルタの周波数−振幅特性を示す図である。
【００５５】
図３に示すように、燃料電池の等価回路は、膜抵抗Ｒｍｅｍと、アノード電極側の電荷移動抵抗Ｒａ及び電気二重層容量Ｃａと、カソード電極側の電荷移動抵抗Ｒｃ及び電気二重層容量Ｃｃとによって表すことができる。なお、燃料電池では、アノード電極の方が電極反応しやすいので、アノード電極の触媒層の白金担持量がカソード電極の触媒層の白金担持量よりも少なく、アノード側の電気二重層容量Ｃａはカソード側の電気二重層容量Ｃｃよりも小さく設定されている。
【００５６】
このような等価回路に、例えば周波数が１ｋＨｚ程度の高周波交流電流（高周波交流信号）を重畳した場合には、電荷移動抵抗Ｒａと電気二重層容量Ｃａとの合成インピーダンス及び電荷移動抵抗Ｒｃと電気二重層容量Ｃｃとの合成インピーダンスを無視でき、電圧振幅値ΔＶを電流振幅値ΔＩを除することで、燃料電池の膜抵抗Ｒｍｅｍ、つまり燃料電池の内部インピーダンスＺを算出することができる。
【００５７】
図４を参照して、燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行する内部インピーダンス算出処理について説明する。燃料電池スタック１の内部インピーダンス算出処理は、従来から知られている交流インピーダンス法に基づくものである。内部インピーダンス算出処理は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの算出が必要となる所定タイミングで実行される。
【００５８】
Ｓ１０１（ステップ１０１）において、コントローラ６０は、車両運転状態に応じて設定される燃料電池スタック１の目標燃料電池電圧に１ｋＨｚの交流電圧値を加算したものを、今回の目標燃料電池電圧として設定する。
【００５９】
Ｓ１０２において、コントローラ６０は、Ｓ１０１で設定した目標燃料電池電圧となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御することで、燃料電池の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含んだ交流電圧及び交流電流となる。
【００６０】
Ｓ１０３において、コントローラ６０は、電流センサ６１を用いて燃料電池スタック１の出力電流値を検出するとともに、電圧センサ６２を用いて燃料電池スタック１の出力電圧値を検出する。
【００６１】
Ｓ１０４において、コントローラ６０は、Ｓ１０３で検出した交流電流値及び交流電圧値の１ｋＨｚ成分を逆ノッチフィルタにより抽出し、１ｋＨｚにおける交流電流値及び交流電圧値を算出する。なお、逆ノッチフィルタは、図５に示すように、通過帯域中心が１ｋＨｚに設定された周波数−振幅特性を有するフィルタである。
【００６２】
Ｓ１０５において、コントローラ６０は、交流電流値の絶対値を１００ｍｓ間積算して、電流積算値を算出する。
【００６３】
Ｓ１０６において、コントローラ６０は、交流電圧値の絶対値を１００ｍｓ間積算して、電圧積算値を算出する。
【００６４】
Ｓ１０７において、コントローラ６０は、Ｓ１０６で算出した電圧積算値をＳ１０５で算出した電流積算値で除し、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを算出して、内部インピーダンス算出処理を終了する。
【００６５】
本願出願人は、上記のように算出される燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺと、燃料電池スタック１内の水素濃度との間に、図６及び図７に示すような相関があることを見出した。
【００６６】
図６は、１ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタック１の内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。横軸は内部インピーダンスの実部であり、縦軸は内部インピーダンスの虚部である。図７は、燃料電池スタック１内の水素濃度と内部インピーダンスの位相遅れθとの関係を示す図である。
【００６７】
図６及び図７に示すように、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど、出力される交流電流に対する内部インピーダンスＺの位相遅れθが大きくなる。この位相遅れは、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下することで、図３におけるアノード電極側の電荷移動抵抗Ｒａが増加し電気二重層容量Ｃａにも交流電流が流れるようになって、電気二重層容量Ｃａ、Ｃｃの合成値が小さくなることに起因して生じるものである。
【００６８】
本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１内における水素濃度と、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れとに相関があることを利用して、燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。
【００６９】
図８及び図９を参照して、燃料電池スタック１内の水素濃度の算出について説明する。図８は、コントローラ６０が実行する水素濃度算出処理を示すフローチャートである。図９は、１ｋＨｚにおける交流電流に対する交流電圧の位相遅れと、水素濃度との関係を示す図である。
【００７０】
図８に示す水素濃度算出処理は、内部インピーダンス算出処理の実行後や水素濃度の算出が必要となる所定タイミングで実行される。
【００７１】
Ｓ２０１において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの交流信号を含むようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御して、電流センサ６１により交流電流値を検出し、電圧センサ６２により交流電圧値を検出する。
【００７２】
Ｓ２０２において、コントローラ６０は、検出された交流電流値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電流の位相角を算出する。
【００７３】
Ｓ２０３において、コントローラ６０は、検出された交流電圧値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電圧の位相角を算出する。
【００７４】
Ｓ２０４において、コントローラ６０は、算出された交流電流の位相角及び交流電圧の位相角に基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθを算出する。この交流電流に対する交流電圧の位相遅れθは、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れに相当するものである。
【００７５】
Ｓ２０５において、コントローラ６０は、図９に示す位相遅れθ−水素濃度特性を参照し、Ｓ２０４で算出した交流電流に対する交流電圧の位相遅れθに基づいて燃料電池スタック１内における水素濃度を算出して、水素濃度算出処理を終了する。
【００７６】
なお、図９の位相遅れθ−水素濃度特性は、燃料電池スタック１内における水素濃度を算出するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。位相遅れθ−水素濃度特性は、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθが小さくなるほど、水素濃度が高くなるように設定されている。
【００７７】
次に、図１０〜図１７を参照して、算出された水素濃度に基づいて、コントローラ６０が実行する各種処理について説明する。
【００７８】
図１０及び図１１を参照して、燃料電池システム１００におけるアノード系内の不純ガスの排出処理について説明する。図１０は、コントローラ６０が実行する不純ガス排出処理を示すフローチャートである。図１１は、水素濃度とパージ弁開度との関係を示す図である。
【００７９】
図１０に示す不純ガス排出処理は、イグニッションスイッチがオンされてからオフされるまでの間、所定演算周期（例えば１００マイクロ秒周期）で実行される。
【００８０】
Ｓ３０１において、コントローラ６０は、図１１に示す水素濃度−パージ弁開度特性を参照し、水素濃度算出処理で算出された燃料電池スタック１内の水素濃度に基づいてパージ弁２８の開度を決定する。
【００８１】
図１１の水素濃度−パージ弁開度特性は、パージ弁２８の開度を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−パージ弁開度特性は、水素濃度が低下するほど、パージ弁２８の開度が大きくなるように設定されている。燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど、燃料電池スタック１内に窒素等の不純ガスが多く存在していると推定されるため、パージ弁２８の開度を大きくして外部に排出されるアノードオフガスの流量を増加させることで、バッファタンク２６から燃料電池スタック１内に不純ガスが逆流することを抑制する。
【００８２】
Ｓ３０２において、コントローラ６０は、Ｓ３０１で決定された開度となるようにパージ弁２８を制御して、不純ガス排出処理を終了する。
【００８３】
上記した不純ガス排出処理により、燃料電池スタック１内における水素濃度の低下を防ぐことができ、燃料電池スタック１の発電効率の悪化を抑制することが可能となる。
【００８４】
図１２〜図１４を参照して、システム始動時に燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給処理について説明する。図１２は、コントローラ６０が実行するシステム始動時の水素供給処理を示すフローチャートである。図１３は、システム始動時における水素濃度と目標アノード入口圧力との関係を示す図である。図１４は、システム始動時における水素濃度と圧力上昇速度との関係を示す図である。
【００８５】
図１２に示すシステム始動時の水素供給処理は、イグニッションスイッチがオンされ、燃料電池システムが始動（起動）する時に実行される。
【００８６】
Ｓ４０１及びＳ４０２において、コントローラ６０は、システム始動時に燃料電池スタック１に供給する水素の圧力条件（アノードガス圧力条件）を設定する。
【００８７】
Ｓ４０１では、コントローラ６０は、図１３に示す水素濃度−目標アノード入口圧力特性を参照し、システム始動時に算出された水素濃度に基づいて目標アノード入口圧力を決定する。目標アノード入口圧力は、燃料電池スタック１のアノードガス入口部における水素供給圧力である。なお、システム始動時に算出される水素濃度は、アノードガスが燃料電池スタック１に供給される前の水素濃度である。
【００８８】
図１３の水素濃度−目標アノード入口圧力特性は、目標アノード入口圧力を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−目標アノード入口圧力特性は、水素濃度が低下するほど、目標アノード入口圧力が大きくなるように設定されている。なお、水素濃度が所定濃度よりも低くなると、目標アノード入口圧力は所定の最大圧力に設定される。
【００８９】
Ｓ４０２では、コントローラ６０は、図１４に示す水素濃度−圧力上昇速度特性を参照し、システム始動時に算出された水素濃度に基づいて圧力上昇速度を決定する。
【００９０】
図１４の水素濃度−圧力上昇速度特性は、目標アノード入口圧力までアノード圧を上昇させる時の上昇速度を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−圧力上昇速度特性は、水素濃度が低下するほど、圧力上昇速度が速くなるように設定されている。なお、水素濃度が所定濃度よりも低くなると、圧力上昇速度は所定の最高速度に設定される。
【００９１】
Ｓ４０３において、コントローラ６０は、圧力センサ２４により検出されるアノード圧が、Ｓ４０３で決定された圧力上昇速度でＳ４０２で決定された目標アノード入口圧力まで上昇するように調圧弁２３をＰＩＤ制御して、水素供給処理を終了する。
【００９２】
システム始動時において燃料電池スタック１内に空気が留まっている場合にアノードガスである水素を緩やかに供給すると、いわゆる水素フロントに起因してカソード側の触媒が劣化することがある。燃料電池システム１００では、システム始動時にアノード系内が空気で満たされているような場合、つまり燃料電池スタック１内の水素濃度が低い場合には、目標アノード入口圧力を大きくしかつ圧力上昇速度を速めるので、アノードガスの強い流れによって燃料電池スタック１内に留まっている空気をバッファタンク２６に排出することができる。これにより、システム始動時における燃料電池スタック１での水素フロントの発生を抑制することが可能となる。
【００９３】
図１５〜図１７を参照して、システム始動後の発電中に燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給処理について説明する。図１５は、システム始動後の発電中に燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行する水素供給処理を示すフローチャートである。図１６は、システム始動後の発電中における水素濃度と目標アノード入口下限圧力との関係を示す図である。図１７は、システム始動後の発電中における水素濃度とアノード圧力上昇代との関係を示す図である。
【００９４】
システム始動後の発電中においては、燃料電池システム１００は、図１２に示した水素供給処理ではなく、図１５に示した水素供給処理を実行する。
【００９５】
図１５に示すように、コントローラ６０は、Ｓ５０１及びＳ５０２において燃料電池スタック１に供給するアノードガスの圧力条件を設定する。
【００９６】
Ｓ５０１において、コントローラ６０は、図１６に示す水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性を参照し、システム始動後の発電中に算出された水素濃度に基づいて目標アノード入口下限圧力を決定する。目標アノード入口下限圧力は、車両を走行させるために必要な最低限のアノード圧である。
【００９７】
図１６の水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性は、目標アノード入口下限圧力を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性は、水素濃度が低下するほど、目標アノード入口下限圧力が大きくなるように設定されている。また、水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性は、燃料電池スタック１に対する要求出力電流毎に設定されており、要求出力電流が大きくなるほど同水素濃度での目標アノード入口下限圧力が大きくなるように設定されている。
【００９８】
なお、水素濃度が第１所定濃度よりも低い場合には、目標アノード入口圧力は、要求出力電流によって定まる水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性に基づいて所定の最大圧力に設定される。また、水素濃度が第２所定濃度よりも高い場合には、目標アノード入口圧力は、要求出力電流によって定まる水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性に基づいて所定の最小圧力に設定される。
【００９９】
Ｓ５０２において、コントローラ６０は、図１７に示す要求出力電流−アノード圧力上昇代特性を参照し、燃料電池スタック１に対する要求出力電流に基づいてアノード圧力上昇代を決定する。アノード圧力上昇代は、目標アノード入口下限圧力からの圧力上昇量を示す値である。また、燃料電池スタック１に対する要求出力電流は、アクセルペダルセンサ６３の検出値に基づいてコントローラ６０が算出する。このように、コントローラ６０は要求出力電流算出手段を含んでいる。
【０１００】
図１７の要求出力電流−アノード圧力上昇代特性は、アノード圧力上昇代を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。要求出力電流−アノード圧力上昇代特性は、要求出力電流が大きくなるほどアノード圧力上昇代が大きくなるように設定されている。
【０１０１】
Ｓ５０３において、コントローラ６０は、圧力センサ２４により検出されるアノード圧が、目標アノード入口下限圧力にアノード圧力上昇代を加えた圧力まで上昇するように調圧弁２３をＰＩＤ制御して、水素供給処理を終了する。
【０１０２】
燃料電池システム１００では、システム始動後の発電中において、要求出力電流及び燃料電池スタック１内の水素濃度に応じた目標アノード入口下限圧力を設定するとともに要求出力電流に応じたアノード圧力上昇代を設定するので、発電中における燃料電池スタック１での水素濃度不足を防止できる。これにより、水素濃度不足に起因する燃料電池スタック１の劣化を抑制することが可能となる。
【０１０３】
上記した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１０４】
燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１内の水素濃度と相関関係のある燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相特性を利用して、燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。具体的には、燃料電池スタック１の出力信号が所定周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御し、燃料電池スタック１から出力される交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出し、交流電流に対する交流電圧の位相遅れに基づいて燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。このように、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの測定等に使用される交流電流及び交流電圧に基づいて水素濃度を算出するので、従来よりも簡素な構成で水素濃度を算出することが可能となる。
【０１０５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分に基づいて水素濃度を算出する点において、第１実施形態の燃料電池システムと相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１０６】
なお、以下の各実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。
【０１０７】
図１８は、１ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタック１の内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。
【０１０８】
図１８に示すように、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れθは大きくなる。第１実施形態では交流電流に対する交流電圧の位相遅れを内部インピーダンスの位相遅れとして捉えたが、第２実施形態では内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを内部インピーダンスの位相遅れとして捉える。内部インピーダンスの位相遅れθが大きくなるほど、内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍも大きくなる。第２実施形態による燃料電池システム１００では、内部インピーダンスの位相遅れθと相関する内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを用いて燃料電池スタック１の水素濃度を算出する。
【０１０９】
図１９及び図２０を参照して、燃料電池スタック１内の水素濃度の算出について説明する。図１９は、第２実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行する水素濃度算出処理を示すフローチャートである。図２０は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍと、水素濃度との関係を示す図である。図１９及び図２０は、第１実施形態において説明した図８及び図９に置き換わるものである。
【０１１０】
図１９に示す水素濃度算出処理は、内部インピーダンス算出処理の実行後や水素濃度の算出が必要となる所定タイミングで実行される。
【０１１１】
Ｓ２０１において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの交流信号を含むようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御して、電流センサ６１により交流電流値を検出し、電圧センサ６２により交流電圧値を検出する。
【０１１２】
Ｓ２０６において、コントローラ６０は、検出された交流電流値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電流値の振幅の虚部成分を算出する。
【０１１３】
Ｓ２０７において、コントローラ６０は、検出された交流電圧値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電圧値の振幅の虚部成分を算出する。
【０１１４】
Ｓ２０８において、コントローラ６０は、交流電圧値の振幅の虚部成分を交流電流値の振幅の虚部成分で除することによって、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを算出する。この燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍと、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れとには相関がある。
【０１１５】
Ｓ２０９において、コントローラ６０は、図２０示す内部インピーダンスの虚部成分−水素濃度特性を参照し、Ｓ２０８で算出した内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍに基づいて燃料電池スタック１内における水素濃度を算出して、水素濃度算出処理を終了する。
【０１１６】
なお、図２０の内部インピーダンスの虚部成分−水素濃度特性は、燃料電池スタック１内における水素濃度を算出するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。内部インピーダンスの虚部成分−水素濃度特性は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍが小さくなるほど、水素濃度が高くなるように設定されている。
【０１１７】
上記した第２実施形態による燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の出力信号が所定周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御し、燃料電池スタック１から出力される交流電流及び交流電圧に基づいて内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを算出し、内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍに基づいて燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。このように、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの測定等に使用される交流電流及び交流電圧に基づいて水素濃度を算出するので、従来よりも簡素な構成で水素濃度を算出することが可能となる。
【０１１８】
（第３実施形態）
図２１〜図２５を参照して、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態の燃料電池システム１００は、交流電流に対する交流電圧の位相遅れの算出の仕方において、第１実施形態の燃料電池システム１００と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１１９】
第１実施形態による燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御し、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出して、その位相遅れに基づいて水素濃度を算出している。しかしながら、燃料電池スタック１の出力信号の設定周波数を１ｋＨｚに設定した場合であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ８による制御誤差や電流センサ６１及び電圧センサ６２での検出誤差等に起因して、図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）に示すように、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数（１ｋＨｚ）からずれてしまうことがある。このように設定周波数からずれた交流電流及び交流電圧に離算フーリエ変換を施して、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出すると、位相遅れの算出精度が低下する。
【０１２０】
図２２は、燃料電池スタック１の出力信号である交流電流及び交流電圧を離算フーリエ変換して、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出した時の算出結果を示す図である。実線Ａは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれていない場合を示す。破線Ｂは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から０．５Ｈｚずれている場合を示す。一点鎖線Ｃは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から１．０Ｈｚずれている場合を示す。
【０１２１】
交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれていない場合には、交流電流に対する交流電圧の位相遅れは真値（例えば１０°）に収束しているが、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれている場合には、交流電流に対する交流電圧の位相遅れは演算時間が長くなるほど真値からずれた値となる。このように真値からずれた位相遅れに基づいて水素濃度を算出すると、水素濃度の算出精度が悪化してしまう。
【０１２２】
そこで、第３実施形態による燃料電池システム１００では、図２３に示す演算部２００を用いて交流電流に対する交流電圧の位相遅れを演算することで、上記した位相遅れの算出精度の低下を抑制する。
【０１２３】
図２３は、第３実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ６０が備える演算部２００を示すブロック図である。演算部２００は、図８のＳ２０１〜Ｓ２０４の処理に代わって、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを演算する。なお、本実施形態の燃料電池システム１００では、演算部２００で算出された位相遅れを用いて図８のＳ２０５の処理を実行し、水素濃度を算出する。
【０１２４】
演算部２００は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御した時に検出される交流電流に基づいて、交流電流の振幅Ｉａを算出する。演算部２００では、電流センサ６１により検出された交流電流をＳ１０４と同様の逆ノッチフィルタに通し、その交流電流値を乗算部２０１で二乗する。乗算部２０１で算出された値を所定時間だけ積分部２０２で積分し、除算部２０３において積分値をタイマー値で除する。タイマー値は、タイマー値算出部２０５で算出される値であって、積分時間の２分の１の値である。除算部２０３で算出された値の平方根を平方根算出部２０４で算出し、その算出値が交流電流の振幅Ｉａとなる。このように、演算部２００の乗算部２０１、積分部２０２、除算部２０３、及び平方根算出部２０４が交流電流振幅算出部を構成する。
【０１２５】
また、演算部２００は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御した時に検出される交流電圧に基づいて、交流電圧の振幅Ｖａを算出する。演算部２００では、電圧センサ６２により検出された交流電圧をＳ１０４と同様の逆ノッチフィルタに通し、その交流電圧値の正負をゲイン部２０６で反転させ、その後、乗算部２０７で二乗する。乗算部２０７で算出された値を所定時間だけ積分部２０８で積分し、除算部２０９において積分値をタイマー値で除する。タイマー値は、タイマー値算出部２０５で算出される値であって、積分時間の２分の１の値である。除算部２０９で算出された値の平方根を平方根算出部２１０で算出し、その算出値が交流電圧の振幅Ｖａとなる。このように、演算部２００のゲイン部２０６、乗算部２０７、積分部２０８、除算部２０９、及び平方根算出部２１０が交流電圧振幅算出部を構成する。
【０１２６】
さらに、演算部２００は、電流センサ６１により検出される交流電流、電圧センサ６２により検出される交流電圧、及び算出された交流電流の振幅Ｉａに基づいて、交流電圧の実部成分Ｖｒを算出する。演算部２００では、電流センサ６１の検出値をＳ１０４と同様の逆ノッチフィルタに通した交流電流値と、ゲイン部２０６から出力された交流電圧値とを乗算部２１１で掛け合わせ、乗算部２１１で算出された値を所定時間だけ積分部２１２で積分する。除算部２１３では、積分部２１２で算出された積分値を、積分時間の２分の１の値であるタイマー値で除し、さらに平方根算出部２０４で算出された交流電流の振幅Ｉａで除する。除算部２１３で算出された値が交流電圧の実部成分Ｖｒとなる。このように、演算部２００の乗算部２１１、積分部２１２、及び除算部２１３が交流電圧実部算出部を構成する。
【０１２７】
さらに、演算部２００は、交流電圧の実部成分Ｖｒ及び交流電圧の振幅Ｖａに基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθを算出する。除算部２１４において交流電圧の実部成分Ｖｒを交流電圧の振幅Ｖａで除し、除算部２１４で算出された値の逆余弦（アークコサイン）を逆余弦算出部２１５で算出する。逆余弦算出部２１５で算出された値を単位変換ゲイン部２１６を通すことで、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθ［°］が算出される。なお、図２４は、除算部２１４、逆余弦算出部２１５、及び単位変換ゲイン部２１６での演算内容を模式的に表わしたものである。また、演算部２００の除算部２１４、逆余弦算出部２１５、及び単位変換ゲイン部２１６が位相遅れ算出部を構成する。
【０１２８】
図２５は、演算部２００によって算出される交流電流に対する交流電圧の位相遅れθを示す図である。実線Ａは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれていない場合を示す。破線Ｂは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から１０Ｈｚずれている場合を示す。一点鎖線Ｃは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から２０Ｈｚずれている場合を示す。
【０１２９】
図２５に示すように、演算部２００によって算出される交流電流に対する交流電圧の位相遅れθは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれている場合であっても、真値（例えば１０°）に収束する。
【０１３０】
上記した第３実施形態の燃料電池システム１００では、演算部２００を用いて交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出するので、周波数ずれに起因する交流電流に対する交流電圧の位相遅れの算出精度の悪化を抑制でき、燃料電池スタック１内の水素濃度の算出精度を向上させることが可能となる。
【０１３１】
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。
【０１３２】
第１から第３実施形態ではアノードガス非循環型の燃料電池システム１００を例に水素濃度算出処理について説明したが、各実施形態における水素濃度算出処理は図２６に示すアノードガス循環型の燃料電池システム１００に適用することもできる。
【０１３３】
図２６は、アノードガス循環型の燃料電池システム１００の概略構成図である。アノードガス循環型の燃料電池システム１００は、基本的に図１に示した燃料電池システム１００と同じ構成であるが、アノードガス排出通路２５に排出された未反応のアノードガス（水素）をアノードガス供給通路２２に還流する還流通路７１を備えている点で相違する。アノードガス排出通路２５は燃料電池スタック１と外部とを連通するように構成されている。還流通路７１の一端はアノードガス排出通路２５に設けられた三方弁２９に接続され、他端はアノードガス供給通路２２に接続される。還流通路７１には、アノードガス排出通路２５に排出された未反応のアノードガスをアノードガス供給通路２２に圧送する循環ポンプ７２が取り付けられている。循環ポンプ７２は、還流されるアノードガスの流量を調整可能に構成されている。
【０１３４】
なお、アノードガス循環型の燃料電池システム１００は、図１に示した燃料電池システム１００が備えるバッファタンク２６やパージ弁２８を有していない。
【０１３５】
このように構成されるアノードガス循環型の燃料電池システム１００においても、第１から第３実施形態で説明した手法を用いて水素濃度を算出することができる。また、アノードガス循環型の燃料電池システム１００では、算出された水素濃度を用いて、図２７に示すようなアノードガス循環処理を実行する。
【０１３６】
図２７は、燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行するアノードガス循環処理を示すフローチャートである。アノードガス循環処理は、イグニッションスイッチがオンされてからオフされるまでの間、所定演算周期（例えば１００マイクロ秒周期）で実行される。
【０１３７】
Ｓ６０１において、コントローラ６０は、循環ポンプ７２を作動させる運転条件が成立しているか否かを判定する。これは、燃料電池スタック１の発電性能が悪化する程度まで、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下したか否かに基づいて判定される。
【０１３８】
循環ポンプ運転条件が成立していない場合には、コントローラ６０は、アノードガス循環処理を終了する。これに対して、燃料電池スタック１内の水素濃度が低く、循環ポンプ運転条件が成立している場合には、コントローラ６０は、不純ガスに起因して発電効率が低下するおそれがあると判定し、Ｓ６０２及びＳ６０３の処理を実行する。
【０１３９】
Ｓ６０２において、コントローラ６０は、図２８に示す水素濃度−循環ポンプ回転速度特性を参照し、システム運転中に算出された水素濃度に基づいて循環ポンプ回転速度を決定する。これにより、アノードガス供給通路２２に還流されるアノードガス（水素）の流量が設定される。
【０１４０】
図２８の水素濃度−循環ポンプ回転速度特性は、循環ポンプ７２の回転速度を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−循環ポンプ回転速度特性は、水素濃度が低下するほど、循環ポンプ回転速度が大きくなるように設定されている。なお、水素濃度が第１所定濃度よりも低い場合には循環ポンプ回転速度は所定の最大回転速度に設定され、水素濃度が第２所定濃度よりも高い場合には循環ポンプ回転速度は所定の最小回転速度に設定される。
【０１４１】
Ｓ６０３において、コントローラ６０は、循環ポンプ７２に設置された回転速度センサによって検出された回転速度検出値がＳ６０２で決定された循環ポンプ回転速度となるように循環ポンプ７２をＰＩＤ制御して、アノードガス循環処理を終了する。
【０１４２】
アノードガス循環型の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど循環ポンプ回転速度を大きくするので、アノードガス供給通路２２に還流されるアノードガスの流れによって燃料電池スタック１内に留まっている不純ガスをアノードガス排出通路２５に排出できる。これにより、燃料電池スタック１の発電効率の悪化を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【０１４３】
１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池スタック
６ 駆動モータ
８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ 燃料電池
２１ 高圧タンク
２２ アノードガス供給通路
２３ 調圧弁
２４ 圧力センサ
２５ アノードガス排出通路
２６ バッファタンク
２７ パージ通路
２８ パージ弁（排出流量調整部）
２９ 三方弁
６０ コントローラ
６１ 電流センサ
６２ 電圧センサ
６３ アクセルペダルセンサ
７１ 還流通路
７２ 循環ポンプ（還流流量調整部）
２００ 演算部（位相特性算出手段）
Ｓ２０１ 出力制御手段
Ｓ２０４，Ｓ２０８ 位相特性算出手段
Ｓ２０５，Ｓ２０９ 水素濃度算出手段
Ｓ３０１，Ｓ３０２ 排出流量制御手段
Ｓ４０１，Ｓ４０２，Ｓ５０１，Ｓ５０２ 圧力条件設定手段
Ｓ６０２，Ｓ６０３ 還流流量制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノードガス及びカソードガスを供給して燃料電池を発電させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、システム運転状態等を把握するため、燃料電池スタック内におけるアノードガス（水素）の濃度を算出している。特許文献１には、アノード系内の水素の圧力損失及び水蒸気や窒素等の不純ガスの組成等に基づいて、燃料電池スタック内の水素濃度を算出する燃料電池システムが開示されている。
【０００３】
その他、関連する公知文献発明としては、特許文献２〜７に記載の発明等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１０６５３号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２０２６号公報
【特許文献３】特開２００８−２１８１０６号公報
【特許文献４】特開２００５−３２７５９７号公報
【特許文献５】特開２００６−０８６１１７号公報
【特許文献６】特開２００６−２０９９９６号公報
【特許文献７】特開２００６−１５６０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素還流通路に設けられた逆止弁の上流側及び下流側の圧力に基づいて水素の圧力損失を検出するための差圧計が必要となり、水素濃度を算出するシステム構成が比較的複雑なものとなっている。
【０００６】
そこで、本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で、燃料電池内の水素濃度を算出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】
【０００７】
本発明は、アノードガスである水素を用いて発電する燃料電池を備える燃料電池システムである。燃料電池システムは、燃料電池の出力信号に基づいて燃料電池の内部インピーダンスの位相特性を算出する位相特性算出手段と、内部インピーダンスの位相特性に基づいて燃料電池内の水素濃度を算出する水素濃度算出手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力信号から得られる燃料電池の内部インピーダンスの位相特性に基づいて燃料電池内における水素濃度を算出するように構成されているので、簡素な構成で燃料電池内の水素濃度の算出が可能となる。
【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構成図である。
【図２】燃料電池システムにおける脈動運転を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】燃料電池の等価回路を示す模式図である。
【図４】燃料電池システムが備えるコントローラが実行する燃料電池スタックの内部インピーダンス算出処理のフローチャートである。
【図５】逆ノッチフィルタの周波数−振幅特性を示す図である。
【図６】１ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタックの内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。
【図７】燃料電池スタック内の水素濃度と内部インピーダンスの位相遅れとの関係を示す図である。
【図８】コントローラが実行する水素濃度算出処理を示すフローチャートである。
【図９】交流電流に対する交流電圧の位相遅れと、水素濃度との関係を示す図である。
【図１０】コントローラが実行する不純ガス排出処理を示すフローチャートである。
【図１１】水素濃度とパージ弁開度との関係を示す図である。
【図１２】システム始動時にコントローラが実行する水素供給処理を示すフローチャートである。
【図１３】システム始動時における水素濃度と目標アノード入口圧力との関係を示す図である。
【図１４】システム始動時における水素濃度と圧力上昇速度との関係を示す図である。
【図１５】システム始動後発電中にコントローラが実行する水素供給処理を示すフローチャートである。
【図１６】発電中における水素濃度と目標アノード入口下限圧力との関係を示す図である。
【図１７】発電中における水素濃度とアノード圧力上昇代との関係を示す図である。
【図１８】１ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタックの内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。
【図１９】第２実施形態による燃料電池システムのコントローラが実行する水素濃度算出処理を示すフローチャートである。
【図２０】燃料電池スタックの内部インピーダンスの虚部成分と、水素濃度との関係を示す図である。
【図２１】周波数と、交流電流及び交流電圧との関係を示す図である。
【図２２】燃料電池スタックの出力信号である交流電流及び交流電圧を離算フーリエ変換して、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出した時の算出結果を示す図である。
【図２３】第３実施形態による燃料電池システムのコントローラが備える演算部を示すブロック図である。
【図２４】演算部の除算部、逆余弦算出部、及び単位変換ゲイン部での演算内容を模式的に表わした図である。
【図２５】演算部によって算出される交流電流に対する交流電圧の位相遅れを示す図である。
【図２６】アノードガス循環型の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２７】アノードガス循環型の燃料電池システムのコントローラが実行するアノードガス循環処理を示すフローチャートである。
【図２８】水素濃度と循環ポンプ回転速度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【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、電解質膜を燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とで挟んで構成されており、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。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気化学反応は、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】
これら（１）（２）の電気化学反応によって、燃料電池は１Ｖ（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、車両を駆動させるための電力を取り出す。
【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の概略構成図である。
【００１６】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス供給装置２と、カソードガス供給装置３と、冷却装置４と、インバータ５と、駆動モータ６と、バッテリ７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８と、コントローラ６０と、を備える。
【００１７】
燃料電池スタック１は、所定枚数の燃料電池１０を積層して構成されている。燃料電池スタック１は、アノードガスとしての水素及びカソードガスとしての空気の供給を受けて発電し、車両を駆動する駆動モータ６等の各種電装部品に電力を供給する。燃料電池スタック１は、電力を取り出すための出力端子として、アノード側端子１１とカソード側端子１２とを有している。
【００１８】
アノードガス供給装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、調圧弁２３と、圧力センサ２４と、アノードガス排出通路２５と、バッファタンク２６と、パージ通路２７と、パージ弁２８と、を備える。
【００１９】
高圧タンク２１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスとしての水素を高圧状態に保って貯蔵する容器である。
【００２０】
アノードガス供給通路２２は、高圧タンク２１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路２２の一端は高圧タンク２１に接続され、他端は燃料電池スタック１のアノードガス入口部に接続される。
【００２１】
調圧弁２３は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であって、アノードガス供給通路２２に設置される。調圧弁２３は、高圧タンク２１から排出された高圧状態のアノードガスを所定の圧力に調節する。調圧弁２３の開度はコントローラ６０によって制御される。
【００２２】
圧力センサ２４は、調圧弁２３よりも下流側のアノードガス供給通路２２に設けられる。圧力センサ２４は、アノードガス供給通路２２を流れるアノードガスの圧力を検出する。圧力センサ２４で検出されたアノードガスの圧力は、バッファタンク２６や燃料電池スタック１内部のアノードガス流路等を含むアノード系全体の圧力を代表する。
【００２３】
アノードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１とバッファタンク２６とを連通する通路である。アノードガス排出通路２５の一端は燃料電池スタック１のアノードガス出口部に接続され、他端はバッファタンク２６の上部に接続される。アノードガス排出通路２５には、電気化学反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、燃料電池スタック１内においてカソード側からアノードガス流路へとリーク（クロスオーバー）してきた窒素や水蒸気等を含む不純ガスとの混合ガス（以下、「アノードオフガス」という。）が排出される。
【００２４】
バッファタンク２６は、アノードガス排出通路２５を流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える容器である。アノードオフガスに含まれる水蒸気の一部は、バッファタンク２６内で凝縮して凝縮水となり、アノードオフガスから分離される。
【００２５】
パージ通路２７は、バッファタンク２６を外部に連通させる排出通路である。パージ通路２７の一端はバッファタンク２６の下部に接続され、パージ通路２７の他端は開口端として形成される。バッファタンク２６に蓄えられたアノードオフガスは、後述のカソードガス排出通路３５からパージ通路２７に流入するカソードオフガスによって稀釈され、凝縮水とともにパージ通路２７の開口端から外部へ排出される。
【００２６】
パージ弁２８は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であり、パージ通路２７に設置される。パージ弁２８の開度を調節することで、パージ通路２７から外部へ排出されるアノードオフガスの流量が調整される。パージ弁２８の開度はコントローラ６０によって制御される。
【００２７】
カソードガス供給装置３は、カソードガス供給通路３１と、フィルタ３２と、コンプレッサ３３と、圧力センサ３４と、カソードガス排出通路３５と、調圧弁３６と、を備える。
【００２８】
カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスである空気が流れる通路である。カソードガス供給通路３１の一端はフィルタ３２に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口部に接続される。
【００２９】
フィルタ３２は、外部から取り込まれる空気に含まれる塵や埃等の異物を除去するものである。フィルタに３２によって異物が除去された空気が、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスとなる。
【００３０】
コンプレッサ３３は、フィルタ３２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路３１に設置される。コンプレッサ３３は、フィルタ３２を介して取り込まれたカソードガスを燃料電池スタック１に圧送する。
【００３１】
圧力センサ３４は、コンプレッサ３３よりも下流側のカソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ３４は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの圧力を検出する。圧力センサ３４で検出されたカソードガスの圧力は、燃料電池スタック１内部のカソードガス流路等を含むカソード系全体の圧力を代表する。
【００３２】
カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１とアノードガス供給装置２のパージ通路２７とを連通する通路である。カソードガス排出通路３５の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口部に接続され、他端はパージ弁２８よりも下流側のパージ通路２７に接続される。燃料電池スタック１において電気化学反応に使用されなかったカソードガスは、カソードオフガスとして、カソードガス排出通路３５を介してパージ通路２７に排出される。
【００３３】
調圧弁３６は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であって、カソードガス排出通路３５に設置される。調圧弁３６は、コントローラ６０によって開度が制御され、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調整する。
【００３４】
冷却装置４は、冷却水によって燃料電池スタック１を冷却するための装置である。冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水循環ポンプ４２と、ラジエータ４３と、冷却水温度センサ４４，４５と、を備える。
【００３５】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が流れる通路である。冷却水循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却水入口部に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却水出口部に接続される。
【００３６】
冷却水循環ポンプ４２は、冷却水を循環させる圧送装置であって、冷却水循環通路４１に設置される。
【００３７】
ラジエータ４３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ための放熱器であって、冷却水循環ポンプ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設置される。
【００３８】
冷却水温度センサ４４，４５は、冷却水の温度を検出するセンサである。冷却水温度センサ４４は、燃料電池スタック１の冷却水入口部寄りの冷却水循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度を検出する。これに対して、冷却水温度センサ４５は、燃料電池スタック１の冷却水出口部寄りの冷却水循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。
【００３９】
インバータ５は、スイッチ部５１及び平滑コンデンサ５２を備え、アノード側端子１１及びカソード側端子１２を介して燃料電池スタック１に電気的に接続される。スイッチ部５１は、複数のスイッチング素子から構成され、直流を交流に又は交流を直流に変換する。平滑コンデンサ５２は、燃料電池スタック１と並列に接続されて、スイッチ部５１でのスイッチング等によって生じるリプルを抑制する。
【００４０】
駆動モータ６は、三相交流モータであって、インバータ５から供給される交流電流によって作動して、車両を駆動させるトルクを発生する。
【００４１】
バッテリ７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して、駆動モータ６及び燃料電池スタック１と電気的に接続される。バッテリ７は、リチウムイオン二次電池等の充放電可能な二次電池である。
【００４２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック１に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック１の電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機であり、直流入力から直流出力を得るとともに入力電圧を任意の出力電圧に変換する。
【００４３】
コントローラ６０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６０には、圧力センサ２４，３４や冷却水温度センサ４４，４５の他に、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ６１や燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ６２、車両に備えられるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ６３、バッテリ７の充電量を検出するＳＯＣセンサ６４からの検出信号が、燃料電池システム１００の運転状態を検出するための信号として入力する。
【００４４】
コントローラ６０は、これらの入力信号に基づいて調圧弁２３を周期的に開閉して、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行う。アノードガス非循環型の燃料電池システム１００の場合、調圧弁２３を開いたままにして高圧タンク２１から燃料電池スタック１にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック１から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスがパージ通路２７を介して外部へ排出され続けてしまうので、アノードガスを無駄に使用することとなる。
【００４５】
そこで、本実施形態では、調圧弁２３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うのである。脈動運転を行うことで、バッファタンク２６に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック１に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができ、外部へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。
【００４６】
図２を参照して、燃料電池システム１００での脈動運転について説明する。図２は、燃料電池システム１００の定常運転時における脈動運転について説明する図である。
【００４７】
図２（Ａ）に示すように、コントローラ６０は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて燃料電池スタック１の目標出力を算出し、目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。
【００４８】
具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図２（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁２３を開く。この状態のときは、アノードガスは高圧タンク２１から燃料電池スタック１に供給され、バッファタンク２６へと排出される。
【００４９】
時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図２（Ｂ）に示すように調圧弁２３を全閉とし、高圧タンク２１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止する。そうすると、前述した（１）の電気化学反応によって、燃料電池スタック１内のアノードガス流路に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費され、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。
【００５０】
燃料電池スタック１内のアノードガスがある程度消費されると、バッファタンク２６の圧力が一時的に燃料電池スタック１のアノードガス流路の圧力よりも高くなるため、バッファタンク２６から燃料電池スタック１へとアノードオフガスが逆流する。その結果、燃料電池スタック１のアノードガス流路に残されたアノードガスと、バッファタンク２６から逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費される。
【００５１】
時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１の時と同様に調圧弁２３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁２３を全閉とする。このように調圧弁２３を周期的に開閉することで、脈動運転が行われる。
【００５２】
上記した燃料電池システム１００では、システム運転状態を正常に維持するため、燃料電池スタック１の内部インピーダンス（燃料電池１０の電解質膜の内部インピーダンス）を算出して燃料電池スタック１の含水量（燃料電池１０の電解質膜の湿潤度）等を管理したり、燃料電池スタック１内におけるアノードガス濃度（以下、水素濃度という。）を算出してアノード系内における不純ガスの蓄積状態等を管理したりする。
【００５３】
まず、図３〜図５を参照して、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの算出について説明する。
【００５４】
図３は、燃料電池（燃料電池スタック）の等価回路を示す模式図である。図４は、コントローラ６０が実行する燃料電池スタック１の内部インピーダンス算出処理のフローチャートである。図５は、逆ノッチフィルタの周波数−振幅特性を示す図である。
【００５５】
図３に示すように、燃料電池の等価回路は、膜抵抗Ｒｍｅｍと、アノード電極側の電荷移動抵抗Ｒａ及び電気二重層容量Ｃａと、カソード電極側の電荷移動抵抗Ｒｃ及び電気二重層容量Ｃｃとによって表すことができる。なお、燃料電池では、アノード電極の方が電極反応しやすいので、アノード電極の触媒層の白金担持量がカソード電極の触媒層の白金担持量よりも少なく、アノード側の電気二重層容量Ｃａはカソード側の電気二重層容量Ｃｃよりも小さく設定されている。
【００５６】
このような等価回路に、例えば周波数が１ｋＨｚ程度の高周波交流電流（高周波交流信号）を重畳した場合には、電荷移動抵抗Ｒａと電気二重層容量Ｃａとの合成インピーダンス及び電荷移動抵抗Ｒｃと電気二重層容量Ｃｃとの合成インピーダンスを無視でき、電圧振幅値ΔＶを電流振幅値ΔＩを除することで、燃料電池の膜抵抗Ｒｍｅｍ、つまり燃料電池の内部インピーダンスＺを算出することができる。
【００５７】
図４を参照して、燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行する内部インピーダンス算出処理について説明する。燃料電池スタック１の内部インピーダンス算出処理は、従来から知られている交流インピーダンス法に基づくものである。内部インピーダンス算出処理は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの算出が必要となる所定タイミングで実行される。
【００５８】
Ｓ１０１（ステップ１０１）において、コントローラ６０は、車両運転状態に応じて設定される燃料電池スタック１の目標燃料電池電圧に１ｋＨｚの交流電圧値を加算したものを、今回の目標燃料電池電圧として設定する。
【００５９】
Ｓ１０２において、コントローラ６０は、Ｓ１０１で設定した目標燃料電池電圧となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御することで、燃料電池の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含んだ交流電圧及び交流電流となる。
【００６０】
Ｓ１０３において、コントローラ６０は、電流センサ６１を用いて燃料電池スタック１の出力電流値を検出するとともに、電圧センサ６２を用いて燃料電池スタック１の出力電圧値を検出する。
【００６１】
Ｓ１０４において、コントローラ６０は、Ｓ１０３で検出した交流電流値及び交流電圧値の１ｋＨｚ成分を逆ノッチフィルタにより抽出し、１ｋＨｚにおける交流電流値及び交流電圧値を算出する。なお、逆ノッチフィルタは、図５に示すように、通過帯域中心が１ｋＨｚに設定された周波数−振幅特性を有するフィルタである。
【００６２】
Ｓ１０５において、コントローラ６０は、交流電流値の絶対値を１００ｍｓ間積算して、電流積算値を算出する。
【００６３】
Ｓ１０６において、コントローラ６０は、交流電圧値の絶対値を１００ｍｓ間積算して、電圧積算値を算出する。
【００６４】
Ｓ１０７において、コントローラ６０は、Ｓ１０６で算出した電圧積算値をＳ１０５で算出した電流積算値で除し、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを算出して、内部インピーダンス算出処理を終了する。
【００６５】
本願出願人は、上記のように算出される燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺと、燃料電池スタック１内の水素濃度との間に、図６及び図７に示すような相関があることを見出した。
【００６６】
図６は、１ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタック１の内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。横軸は内部インピーダンスの実部であり、縦軸は内部インピーダンスの虚部である。図７は、燃料電池スタック１内の水素濃度と内部インピーダンスの位相遅れθとの関係を示す図である。
【００６７】
図６及び図７に示すように、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど、出力される交流電流に対する内部インピーダンスＺの位相遅れθが大きくなる。この位相遅れは、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下することで、図３におけるアノード電極側の電荷移動抵抗Ｒａが増加し電気二重層容量Ｃａにも交流電流が流れるようになって、電気二重層容量Ｃａ、Ｃｃの合成値が小さくなることに起因して生じるものである。
【００６８】
本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１内における水素濃度と、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れとに相関があることを利用して、燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。
【００６９】
図８及び図９を参照して、燃料電池スタック１内の水素濃度の算出について説明する。図８は、コントローラ６０が実行する水素濃度算出処理を示すフローチャートである。図９は、１ｋＨｚにおける交流電流に対する交流電圧の位相遅れと、水素濃度との関係を示す図である。
【００７０】
図８に示す水素濃度算出処理は、内部インピーダンス算出処理の実行後や水素濃度の算出が必要となる所定タイミングで実行される。
【００７１】
Ｓ２０１において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの交流信号を含むようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御して、電流センサ６１により交流電流値を検出し、電圧センサ６２により交流電圧値を検出する。
【００７２】
Ｓ２０２において、コントローラ６０は、検出された交流電流値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電流の位相角を算出する。
【００７３】
Ｓ２０３において、コントローラ６０は、検出された交流電圧値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電圧の位相角を算出する。
【００７４】
Ｓ２０４において、コントローラ６０は、算出された交流電流の位相角及び交流電圧の位相角に基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθを算出する。この交流電流に対する交流電圧の位相遅れθは、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れに相当するものである。
【００７５】
Ｓ２０５において、コントローラ６０は、図９に示す位相遅れθ−水素濃度特性を参照し、Ｓ２０４で算出した交流電流に対する交流電圧の位相遅れθに基づいて燃料電池スタック１内における水素濃度を算出して、水素濃度算出処理を終了する。
【００７６】
なお、図９の位相遅れθ−水素濃度特性は、燃料電池スタック１内における水素濃度を算出するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。位相遅れθ−水素濃度特性は、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθが小さくなるほど、水素濃度が高くなるように設定されている。
【００７７】
次に、図１０〜図１７を参照して、算出された水素濃度に基づいて、コントローラ６０が実行する各種処理について説明する。
【００７８】
図１０及び図１１を参照して、燃料電池システム１００におけるアノード系内の不純ガスの排出処理について説明する。図１０は、コントローラ６０が実行する不純ガス排出処理を示すフローチャートである。図１１は、水素濃度とパージ弁開度との関係を示す図である。
【００７９】
図１０に示す不純ガス排出処理は、イグニッションスイッチがオンされてからオフされるまでの間、所定演算周期（例えば１００マイクロ秒周期）で実行される。
【００８０】
Ｓ３０１において、コントローラ６０は、図１１に示す水素濃度−パージ弁開度特性を参照し、水素濃度算出処理で算出された燃料電池スタック１内の水素濃度に基づいてパージ弁２８の開度を決定する。
【００８１】
図１１の水素濃度−パージ弁開度特性は、パージ弁２８の開度を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−パージ弁開度特性は、水素濃度が低下するほど、パージ弁２８の開度が大きくなるように設定されている。燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど、燃料電池スタック１内に窒素等の不純ガスが多く存在していると推定されるため、パージ弁２８の開度を大きくして外部に排出されるアノードオフガスの流量を増加させることで、バッファタンク２６から燃料電池スタック１内に不純ガスが逆流することを抑制する。
【００８２】
Ｓ３０２において、コントローラ６０は、Ｓ３０１で決定された開度となるようにパージ弁２８を制御して、不純ガス排出処理を終了する。
【００８３】
上記した不純ガス排出処理により、燃料電池スタック１内における水素濃度の低下を防ぐことができ、燃料電池スタック１の発電効率の悪化を抑制することが可能となる。
【００８４】
図１２〜図１４を参照して、システム始動時に燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給処理について説明する。図１２は、コントローラ６０が実行するシステム始動時の水素供給処理を示すフローチャートである。図１３は、システム始動時における水素濃度と目標アノード入口圧力との関係を示す図である。図１４は、システム始動時における水素濃度と圧力上昇速度との関係を示す図である。
【００８５】
図１２に示すシステム始動時の水素供給処理は、イグニッションスイッチがオンされ、燃料電池システムが始動（起動）する時に実行される。
【００８６】
Ｓ４０１及びＳ４０２において、コントローラ６０は、システム始動時に燃料電池スタック１に供給する水素の圧力条件（アノードガス圧力条件）を設定する。
【００８７】
Ｓ４０１では、コントローラ６０は、図１３に示す水素濃度−目標アノード入口圧力特性を参照し、システム始動時に算出された水素濃度に基づいて目標アノード入口圧力を決定する。目標アノード入口圧力は、燃料電池スタック１のアノードガス入口部における水素供給圧力である。なお、システム始動時に算出される水素濃度は、アノードガスが燃料電池スタック１に供給される前の水素濃度である。
【００８８】
図１３の水素濃度−目標アノード入口圧力特性は、目標アノード入口圧力を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−目標アノード入口圧力特性は、水素濃度が低下するほど、目標アノード入口圧力が大きくなるように設定されている。なお、水素濃度が所定濃度よりも低くなると、目標アノード入口圧力は所定の最大圧力に設定される。
【００８９】
Ｓ４０２では、コントローラ６０は、図１４に示す水素濃度−圧力上昇速度特性を参照し、システム始動時に算出された水素濃度に基づいて圧力上昇速度を決定する。
【００９０】
図１４の水素濃度−圧力上昇速度特性は、目標アノード入口圧力までアノード圧を上昇させる時の上昇速度を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−圧力上昇速度特性は、水素濃度が低下するほど、圧力上昇速度が速くなるように設定されている。なお、水素濃度が所定濃度よりも低くなると、圧力上昇速度は所定の最高速度に設定される。
【００９１】
Ｓ４０３において、コントローラ６０は、圧力センサ２４により検出されるアノード圧が、Ｓ４０３で決定された圧力上昇速度でＳ４０２で決定された目標アノード入口圧力まで上昇するように調圧弁２３をＰＩＤ制御して、水素供給処理を終了する。
【００９２】
システム始動時において燃料電池スタック１内に空気が留まっている場合にアノードガスである水素を緩やかに供給すると、いわゆる水素フロントに起因してカソード側の触媒が劣化することがある。燃料電池システム１００では、システム始動時にアノード系内が空気で満たされているような場合、つまり燃料電池スタック１内の水素濃度が低い場合には、目標アノード入口圧力を大きくしかつ圧力上昇速度を速めるので、アノードガスの強い流れによって燃料電池スタック１内に留まっている空気をバッファタンク２６に排出することができる。これにより、システム始動時における燃料電池スタック１での水素フロントの発生を抑制することが可能となる。
【００９３】
図１５〜図１７を参照して、システム始動後の発電中に燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給処理について説明する。図１５は、システム始動後の発電中に燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行する水素供給処理を示すフローチャートである。図１６は、システム始動後の発電中における水素濃度と目標アノード入口下限圧力との関係を示す図である。図１７は、システム始動後の発電中における水素濃度とアノード圧力上昇代との関係を示す図である。
【００９４】
システム始動後の発電中においては、燃料電池システム１００は、図１２に示した水素供給処理ではなく、図１５に示した水素供給処理を実行する。
【００９５】
図１５に示すように、コントローラ６０は、Ｓ５０１及びＳ５０２において燃料電池スタック１に供給するアノードガスの圧力条件を設定する。
【００９６】
Ｓ５０１において、コントローラ６０は、図１６に示す水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性を参照し、システム始動後の発電中に算出された水素濃度に基づいて目標アノード入口下限圧力を決定する。目標アノード入口下限圧力は、車両を走行させるために必要な最低限のアノード圧である。
【００９７】
図１６の水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性は、目標アノード入口下限圧力を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性は、水素濃度が低下するほど、目標アノード入口下限圧力が大きくなるように設定されている。また、水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性は、燃料電池スタック１に対する要求出力電流毎に設定されており、要求出力電流が大きくなるほど同水素濃度での目標アノード入口下限圧力が大きくなるように設定されている。
【００９８】
なお、水素濃度が第１所定濃度よりも低い場合には、目標アノード入口圧力は、要求出力電流によって定まる水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性に基づいて所定の最大圧力に設定される。また、水素濃度が第２所定濃度よりも高い場合には、目標アノード入口圧力は、要求出力電流によって定まる水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性に基づいて所定の最小圧力に設定される。
【００９９】
Ｓ５０２において、コントローラ６０は、図１７に示す要求出力電流−アノード圧力上昇代特性を参照し、燃料電池スタック１に対する要求出力電流に基づいてアノード圧力上昇代を決定する。アノード圧力上昇代は、目標アノード入口下限圧力からの圧力上昇量を示す値である。また、燃料電池スタック１に対する要求出力電流は、アクセルペダルセンサ６３の検出値に基づいてコントローラ６０が算出する。このように、コントローラ６０は要求出力電流算出手段を含んでいる。
【０１００】
図１７の要求出力電流−アノード圧力上昇代特性は、アノード圧力上昇代を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。要求出力電流−アノード圧力上昇代特性は、要求出力電流が大きくなるほどアノード圧力上昇代が大きくなるように設定されている。
【０１０１】
Ｓ５０３において、コントローラ６０は、圧力センサ２４により検出されるアノード圧が、目標アノード入口下限圧力にアノード圧力上昇代を加えた圧力まで上昇するように調圧弁２３をＰＩＤ制御して、水素供給処理を終了する。
【０１０２】
燃料電池システム１００では、システム始動後の発電中において、要求出力電流及び燃料電池スタック１内の水素濃度に応じた目標アノード入口下限圧力を設定するとともに要求出力電流に応じたアノード圧力上昇代を設定するので、発電中における燃料電池スタック１での水素濃度不足を防止できる。これにより、水素濃度不足に起因する燃料電池スタック１の劣化を抑制することが可能となる。
【０１０３】
上記した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１０４】
燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１内の水素濃度と相関関係のある燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相特性を利用して、燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。具体的には、燃料電池スタック１の出力信号が所定周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御し、燃料電池スタック１から出力される交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出し、交流電流に対する交流電圧の位相遅れに基づいて燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。このように、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの測定等に使用される交流電流及び交流電圧に基づいて水素濃度を算出するので、従来よりも簡素な構成で水素濃度を算出することが可能となる。
【０１０５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分に基づいて水素濃度を算出する点において、第１実施形態の燃料電池システムと相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１０６】
なお、以下の各実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。
【０１０７】
図１８は、１ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタック１の内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。
【０１０８】
図１８に示すように、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れθは大きくなる。第１実施形態では交流電流に対する交流電圧の位相遅れを内部インピーダンスの位相遅れとして捉えたが、第２実施形態では内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを内部インピーダンスの位相遅れとして捉える。内部インピーダンスの位相遅れθが大きくなるほど、内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍも大きくなる。第２実施形態による燃料電池システム１００では、内部インピーダンスの位相遅れθと相関する内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを用いて燃料電池スタック１の水素濃度を算出する。
【０１０９】
図１９及び図２０を参照して、燃料電池スタック１内の水素濃度の算出について説明する。図１９は、第２実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行する水素濃度算出処理を示すフローチャートである。図２０は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍと、水素濃度との関係を示す図である。図１９及び図２０は、第１実施形態において説明した図８及び図９に置き換わるものである。
【０１１０】
図１９に示す水素濃度算出処理は、内部インピーダンス算出処理の実行後や水素濃度の算出が必要となる所定タイミングで実行される。
【０１１１】
Ｓ２０１において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの交流信号を含むようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御して、電流センサ６１により交流電流値を検出し、電圧センサ６２により交流電圧値を検出する。
【０１１２】
Ｓ２０６において、コントローラ６０は、検出された交流電流値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電流値の振幅の虚部成分を算出する。
【０１１３】
Ｓ２０７において、コントローラ６０は、検出された交流電圧値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電圧値の振幅の虚部成分を算出する。
【０１１４】
Ｓ２０８において、コントローラ６０は、交流電圧値の振幅の虚部成分を交流電流値の振幅の虚部成分で除することによって、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを算出する。この燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍと、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れとには相関がある。
【０１１５】
Ｓ２０９において、コントローラ６０は、図２０示す内部インピーダンスの虚部成分−水素濃度特性を参照し、Ｓ２０８で算出した内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍに基づいて燃料電池スタック１内における水素濃度を算出して、水素濃度算出処理を終了する。
【０１１６】
なお、図２０の内部インピーダンスの虚部成分−水素濃度特性は、燃料電池スタック１内における水素濃度を算出するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。内部インピーダンスの虚部成分−水素濃度特性は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍが小さくなるほど、水素濃度が高くなるように設定されている。
【０１１７】
上記した第２実施形態による燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の出力信号が所定周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御し、燃料電池スタック１から出力される交流電流及び交流電圧に基づいて内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを算出し、内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍに基づいて燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。このように、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの測定等に使用される交流電流及び交流電圧に基づいて水素濃度を算出するので、従来よりも簡素な構成で水素濃度を算出することが可能となる。
【０１１８】
（第３実施形態）
図２１〜図２５を参照して、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態の燃料電池システム１００は、交流電流に対する交流電圧の位相遅れの算出の仕方において、第１実施形態の燃料電池システム１００と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１１９】
第１実施形態による燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御し、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出して、その位相遅れに基づいて水素濃度を算出している。しかしながら、燃料電池スタック１の出力信号の設定周波数を１ｋＨｚに設定した場合であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ８による制御誤差や電流センサ６１及び電圧センサ６２での検出誤差等に起因して、図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）に示すように、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数（１ｋＨｚ）からずれてしまうことがある。このように設定周波数からずれた交流電流及び交流電圧に離算フーリエ変換を施して、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出すると、位相遅れの算出精度が低下する。
【０１２０】
図２２は、燃料電池スタック１の出力信号である交流電流及び交流電圧を離算フーリエ変換して、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出した時の算出結果を示す図である。実線Ａは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれていない場合を示す。破線Ｂは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から０．５Ｈｚずれている場合を示す。一点鎖線Ｃは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から１．０Ｈｚずれている場合を示す。
【０１２１】
交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれていない場合には、交流電流に対する交流電圧の位相遅れは真値（例えば１０°）に収束しているが、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれている場合には、交流電流に対する交流電圧の位相遅れは演算時間が長くなるほど真値からずれた値となる。このように真値からずれた位相遅れに基づいて水素濃度を算出すると、水素濃度の算出精度が悪化してしまう。
【０１２２】
そこで、第３実施形態による燃料電池システム１００では、図２３に示す演算部２００を用いて交流電流に対する交流電圧の位相遅れを演算することで、上記した位相遅れの算出精度の低下を抑制する。
【０１２３】
図２３は、第３実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ６０が備える演算部２００を示すブロック図である。演算部２００は、図８のＳ２０１〜Ｓ２０４の処理に代わって、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを演算する。なお、本実施形態の燃料電池システム１００では、演算部２００で算出された位相遅れを用いて図８のＳ２０５の処理を実行し、水素濃度を算出する。
【０１２４】
演算部２００は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御した時に検出される交流電流に基づいて、交流電流の振幅Ｉａを算出する。演算部２００では、電流センサ６１により検出された交流電流をＳ１０４と同様の逆ノッチフィルタに通し、その交流電流値を乗算部２０１で二乗する。乗算部２０１で算出された値を所定時間だけ積分部２０２で積分し、除算部２０３において積分値をタイマー値で除する。タイマー値は、タイマー値算出部２０５で算出される値であって、積分時間の２分の１の値である。除算部２０３で算出された値の平方根を平方根算出部２０４で算出し、その算出値が交流電流の振幅Ｉａとなる。このように、演算部２００の乗算部２０１、積分部２０２、除算部２０３、及び平方根算出部２０４が交流電流振幅算出部を構成する。
【０１２５】
また、演算部２００は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御した時に検出される交流電圧に基づいて、交流電圧の振幅Ｖａを算出する。演算部２００では、電圧センサ６２により検出された交流電圧をＳ１０４と同様の逆ノッチフィルタに通し、その交流電圧値の正負をゲイン部２０６で反転させ、その後、乗算部２０７で二乗する。乗算部２０７で算出された値を所定時間だけ積分部２０８で積分し、除算部２０９において積分値をタイマー値で除する。タイマー値は、タイマー値算出部２０５で算出される値であって、積分時間の２分の１の値である。除算部２０９で算出された値の平方根を平方根算出部２１０で算出し、その算出値が交流電圧の振幅Ｖａとなる。このように、演算部２００のゲイン部２０６、乗算部２０７、積分部２０８、除算部２０９、及び平方根算出部２１０が交流電圧振幅算出部を構成する。
【０１２６】
さらに、演算部２００は、電流センサ６１により検出される交流電流、電圧センサ６２により検出される交流電圧、及び算出された交流電流の振幅Ｉａに基づいて、交流電圧の実部成分Ｖｒを算出する。演算部２００では、電流センサ６１の検出値をＳ１０４と同様の逆ノッチフィルタに通した交流電流値と、ゲイン部２０６から出力された交流電圧値とを乗算部２１１で掛け合わせ、乗算部２１１で算出された値を所定時間だけ積分部２１２で積分する。除算部２１３では、積分部２１２で算出された積分値を、積分時間の２分の１の値であるタイマー値で除し、さらに平方根算出部２０４で算出された交流電流の振幅Ｉａで除する。除算部２１３で算出された値が交流電圧の実部成分Ｖｒとなる。このように、演算部２００の乗算部２１１、積分部２１２、及び除算部２１３が交流電圧実部算出部を構成する。
【０１２７】
さらに、演算部２００は、交流電圧の実部成分Ｖｒ及び交流電圧の振幅Ｖａに基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθを算出する。除算部２１４において交流電圧の実部成分Ｖｒを交流電圧の振幅Ｖａで除し、除算部２１４で算出された値の逆余弦（アークコサイン）を逆余弦算出部２１５で算出する。逆余弦算出部２１５で算出された値を単位変換ゲイン部２１６を通すことで、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθ［°］が算出される。なお、図２４は、除算部２１４、逆余弦算出部２１５、及び単位変換ゲイン部２１６での演算内容を模式的に表わしたものである。また、演算部２００の除算部２１４、逆余弦算出部２１５、及び単位変換ゲイン部２１６が位相遅れ算出部を構成する。
【０１２８】
図２５は、演算部２００によって算出される交流電流に対する交流電圧の位相遅れθを示す図である。実線Ａは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれていない場合を示す。破線Ｂは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から１０Ｈｚずれている場合を示す。一点鎖線Ｃは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から２０Ｈｚずれている場合を示す。
【０１２９】
図２５に示すように、演算部２００によって算出される交流電流に対する交流電圧の位相遅れθは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれている場合であっても、真値（例えば１０°）に収束する。
【０１３０】
上記した第３実施形態の燃料電池システム１００では、演算部２００を用いて交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出するので、周波数ずれに起因する交流電流に対する交流電圧の位相遅れの算出精度の悪化を抑制でき、燃料電池スタック１内の水素濃度の算出精度を向上させることが可能となる。
【０１３１】
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。
【０１３２】
第１から第３実施形態ではアノードガス非循環型の燃料電池システム１００を例に水素濃度算出処理について説明したが、各実施形態における水素濃度算出処理は図２６に示すアノードガス循環型の燃料電池システム１００に適用することもできる。
【０１３３】
図２６は、アノードガス循環型の燃料電池システム１００の概略構成図である。アノードガス循環型の燃料電池システム１００は、基本的に図１に示した燃料電池システム１００と同じ構成であるが、アノードガス排出通路２５に排出された未反応のアノードガス（水素）をアノードガス供給通路２２に還流する還流通路７１を備えている点で相違する。アノードガス排出通路２５は燃料電池スタック１と外部とを連通するように構成されている。還流通路７１の一端はアノードガス排出通路２５に設けられた三方弁２９に接続され、他端はアノードガス供給通路２２に接続される。還流通路７１には、アノードガス排出通路２５に排出された未反応のアノードガスをアノードガス供給通路２２に圧送する循環ポンプ７２が取り付けられている。循環ポンプ７２は、還流されるアノードガスの流量を調整可能に構成されている。
【０１３４】
なお、アノードガス循環型の燃料電池システム１００は、図１に示した燃料電池システム１００が備えるバッファタンク２６やパージ弁２８を有していない。
【０１３５】
このように構成されるアノードガス循環型の燃料電池システム１００においても、第１から第３実施形態で説明した手法を用いて水素濃度を算出することができる。また、アノードガス循環型の燃料電池システム１００では、算出された水素濃度を用いて、図２７に示すようなアノードガス循環処理を実行する。
【０１３６】
図２７は、燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行するアノードガス循環処理を示すフローチャートである。アノードガス循環処理は、イグニッションスイッチがオンされてからオフされるまでの間、所定演算周期（例えば１００マイクロ秒周期）で実行される。
【０１３７】
Ｓ６０１において、コントローラ６０は、循環ポンプ７２を作動させる運転条件が成立しているか否かを判定する。これは、燃料電池スタック１の発電性能が悪化する程度まで、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下したか否かに基づいて判定される。
【０１３８】
循環ポンプ運転条件が成立していない場合には、コントローラ６０は、アノードガス循環処理を終了する。これに対して、燃料電池スタック１内の水素濃度が低く、循環ポンプ運転条件が成立している場合には、コントローラ６０は、不純ガスに起因して発電効率が低下するおそれがあると判定し、Ｓ６０２及びＳ６０３の処理を実行する。
【０１３９】
Ｓ６０２において、コントローラ６０は、図２８に示す水素濃度−循環ポンプ回転速度特性を参照し、システム運転中に算出された水素濃度に基づいて循環ポンプ回転速度を決定する。これにより、アノードガス供給通路２２に還流されるアノードガス（水素）の流量が設定される。
【０１４０】
図２８の水素濃度−循環ポンプ回転速度特性は、循環ポンプ７２の回転速度を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−循環ポンプ回転速度特性は、水素濃度が低下するほど、循環ポンプ回転速度が大きくなるように設定されている。なお、水素濃度が第１所定濃度よりも低い場合には循環ポンプ回転速度は所定の最大回転速度に設定され、水素濃度が第２所定濃度よりも高い場合には循環ポンプ回転速度は所定の最小回転速度に設定される。
【０１４１】
Ｓ６０３において、コントローラ６０は、循環ポンプ７２に設置された回転速度センサによって検出された回転速度検出値がＳ６０２で決定された循環ポンプ回転速度となるように循環ポンプ７２をＰＩＤ制御して、アノードガス循環処理を終了する。
【０１４２】
アノードガス循環型の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど循環ポンプ回転速度を大きくするので、アノードガス供給通路２２に還流されるアノードガスの流れによって燃料電池スタック１内に留まっている不純ガスをアノードガス排出通路２５に排出できる。これにより、燃料電池スタック１の発電効率の悪化を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【０１４３】
１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池スタック
６ 駆動モータ
８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ 燃料電池
２１ 高圧タンク
２２ アノードガス供給通路
２３ 調圧弁
２４ 圧力センサ
２５ アノードガス排出通路
２６ バッファタンク
２７ パージ通路
２８ パージ弁（排出流量調整部）
２９ 三方弁
６０ コントローラ
６１ 電流センサ
６２ 電圧センサ
６３ アクセルペダルセンサ
７１ 還流通路
７２ 循環ポンプ（還流流量調整部）
２００ 演算部（位相特性算出手段）
Ｓ２０１ 出力制御手段
Ｓ２０４，Ｓ２０８ 位相特性算出手段
Ｓ２０５，Ｓ２０９ 水素濃度算出手段
Ｓ３０１，Ｓ３０２ 排出流量制御手段
Ｓ４０１，Ｓ４０２，Ｓ５０１，Ｓ５０２ 圧力条件設定手段
Ｓ６０２，Ｓ６０３ 還流流量制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガスである水素を用いて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力信号に基づいて、前記燃料電池の内部インピーダンスの位相特性を算出する位相特性算出手段と、
前記内部インピーダンスの位相特性に基づいて、前記燃料電池内の水素濃度を算出する水素濃度算出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の出力信号が所定周波数を有する交流信号となるように前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段をさらに備え、
前記位相特性算出手段は、前記燃料電池の出力信号である交流電流及び交流電圧に基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出し、
前記水素濃度算出手段は、交流電流に対する交流電圧の位相遅れに基づいて、前記燃料電池内の水素濃度を算出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】
前記位相特性算出手段は、
前記燃料電池の出力信号である交流電流に基づいて、交流電流の振幅を算出する電流振幅算出部と、
前記燃料電池の出力信号である交流電圧に基づいて、交流電圧の振幅を算出する電圧振幅算出部と、
前記燃料電池の出力信号である交流電流及び交流電圧と、前記電流振幅算出部によって算出された交流電流の振幅とに基づいて、交流電圧の実部成分を算出する電圧実部算出部と、
前記電圧実部算出部によって算出された交流電圧の実部成分と、前記電圧振幅算出部によって算出された交流電圧の振幅とに基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出する位相遅れ算出部と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の出力信号が所定周波数を有する交流信号となるように前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段をさらに備え、
前記位相特性算出手段は、前記燃料電池の出力信号である交流電流及び交流電圧に基づいて、前記燃料電池の内部インピーダンスの虚部成分を算出し、
前記水素濃度算出手段は、内部インピーダンスの虚部成分に基づいて、前記燃料電池内の水素濃度を算出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５】
前記燃料電池から排出された水素を含むアノードオフガスを外部に排出するための排出通路と、
外部に排出されるアノードオフガスの流量を調整する排出流量調整部と、
前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度が低下するほど、アノードオフガスの排出流量が大きくなるように前記排出流量調整部を制御する排出流量制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度に基づいて、前記燃料電池に供給する水素の圧力条件を設定する圧力条件設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記圧力条件設定手段は、水素濃度が低下するほど前記燃料電池に供給する水素の供給圧力を大きく設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記圧力条件設定手段は、システム始動時には、水素濃度が低下するほど、前記燃料電池に供給する水素の供給圧力を大きく設定するとともに圧力上昇速度を速く設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池に対する要求出力電流を算出する要求出力電流算出手段をさらに備え、
前記圧力条件設定手段は、システム始動後の発電中には、水素濃度が低下するほど前記燃料電池に供給される水素の供給圧力を大きく設定するとともに、前記要求出力電流に基づいて下限供給圧力からの圧力上昇代を設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池から排出された未反応の水素を前記燃料電池のアノードガス供給側に還流するための還流通路と、
還流される水素の流量を調整する還流流量調整部と、
前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度が低下するほど、水素の還流流量が大きくなるように前記還流流量調整部を制御する還流流量制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１】
アノードガスである水素を用いて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力信号に基づいて、前記燃料電池の内部インピーダンスの位相特性を算出する位相特性算出手段と、
前記内部インピーダンスの位相特性に基づいて、前記燃料電池内の水素濃度を算出する水素濃度算出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の出力信号が所定周波数を有する交流信号となるように前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段をさらに備え、
前記位相特性算出手段は、前記燃料電池の出力信号である交流電流及び交流電圧に基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出し、
前記水素濃度算出手段は、交流電流に対する交流電圧の位相遅れに基づいて、前記燃料電池内の水素濃度を算出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】
前記位相特性算出手段は、
前記燃料電池の出力信号である交流電流に基づいて、交流電流の振幅を算出する電流振幅算出部と、
前記燃料電池の出力信号である交流電圧に基づいて、交流電圧の振幅を算出する電圧振幅算出部と、
前記燃料電池の出力信号である交流電流及び交流電圧と、前記電流振幅算出部によって算出された交流電流の振幅とに基づいて、交流電圧の実部成分を算出する電圧実部算出部と、
前記電圧実部算出部によって算出された交流電圧の実部成分と、前記電圧振幅算出部によって算出された交流電圧の振幅とに基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出する位相遅れ算出部と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の出力信号が所定周波数を有する交流信号となるように前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段をさらに備え、
前記位相特性算出手段は、前記燃料電池の出力信号である交流電流及び交流電圧に基づいて、前記燃料電池の内部インピーダンスの虚部成分を算出し、
前記水素濃度算出手段は、内部インピーダンスの虚部成分に基づいて、前記燃料電池内の水素濃度を算出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５】
前記燃料電池から排出された水素を含むアノードオフガスを外部に排出するための排出通路と、
外部に排出されるアノードオフガスの流量を調整する排出流量調整部と、
前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度が低下するほど、アノードオフガスの排出流量が大きくなるように前記排出流量調整部を制御する排出流量制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度に基づいて、前記燃料電池に供給する水素の圧力条件を設定する圧力条件設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記圧力条件設定手段は、水素濃度が低下するほど前記燃料電池に供給する水素の供給圧力を大きく設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記圧力条件設定手段は、システム始動時には、水素濃度が低下するほど、前記燃料電池に供給する水素の供給圧力を大きく設定するとともに圧力上昇速度を速く設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池に対する要求出力電流を算出する要求出力電流算出手段をさらに備え、
前記圧力条件設定手段は、システム始動後の発電中には、水素濃度が低下するほど前記燃料電池に供給される水素の供給圧力を大きく設定するとともに、前記要求出力電流に基づいて下限供給圧力からの圧力上昇代を設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池から排出された未反応の水素を前記燃料電池のアノードガス供給側に還流するための還流通路と、
還流される水素の流量を調整する還流流量調整部と、
前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度が低下するほど、水素の還流流量が大きくなるように前記還流流量調整部を制御する還流流量制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一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２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
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【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２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２０１３−８０５７５（Ｐ２０１３−８０５７５Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１８９１７（Ｐ２０１１−２１８９１７）
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【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５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【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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