(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する燃料電池（１）に適用され、前記燃料電池（１）の内部を流れる前記酸化剤ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定装置であって、
前記燃料電池（１）の出力信号に所定の測定周波数（ｆｍ）および前記測定周波数（ｆｍ）よりも高い周波数に設定された高周波数（ｆｈ）を合成した交流信号を印加する交流信号印加手段（３）と、
前記燃料電池（１）の出力電流を検出する電流検出手段（５１）と、
前記燃料電池（１）の出力電圧を検出する電圧検出手段（５２）と、
前記交流信号印加手段（３）にて前記交流信号を印加した際の前記出力電流および前記出力電圧に基づいて、前記測定周波数（ｆｍ）に対応する内部インピーダンス（Ｚ）および前記高周波数に対応する高周波インピーダンス（Ｚｈ）を算出するインピーダンス算出手段（５３）と、
前記内部インピーダンス（Ｚ）から前記高周波インピーダンス（Ｚｈ）を減算することで、前記内部インピーダンス（Ｚ）から前記酸化剤ガスのガス濃度の変化に応じて変化する特定インピーダンス（Ｚ´）を算出する特定インピーダンス算出手段（５４ａ）と、
前記特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）を算出する位相角算出手段（５４ｂ）と、
前記特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）に基づいて前記酸化剤ガスのガス濃度を算出するガス濃度算出手段（５４ｃ）と、
を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記測定周波数（ｆｍ）は、前記酸化剤ガスのガス濃度を予め基準ガス濃度とした条件において、前記交流信号印加手段（３）にて印加する周波数を高周波から低周波まで変化させた際に、前記内部インピーダンス（Ｚ）の実数部および虚数部がなす半円状の軌跡の頂部（Ｐ）に達したときの周波数を設定することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記燃料電池（１）の負荷を検出する負荷検出手段（５３ａ）を備え、
前記交流信号印加手段（３）は、前記燃料電池（１）の出力信号に、前記測定周波数（ｆｍ）、前記高周波数（ｆｈ）、および前記測定周波数（ｆｍ）と異なる複数の補正用周波数（ｆｍ１、ｆｍ２）を合成した交流信号を印加し、
前記インピーダンス算出手段（５３）は、
前記負荷検出手段（５３ａ）にて検出された負荷が所定の第１負荷基準値よりも大きい場合に、前記複数の補正用周波数（ｆｍ１、ｆｍ２）のうち前記測定周波数（ｆｍ）よりも低い補正用周波数におけるインピーダンスを前記内部インピーダンス（Ｚ）として算出し、
前記負荷検出手段（５３ａ）にて検出された負荷が前記第１負荷基準値よりも低い値に設定された第２負荷基準値よりも小さい場合に、前記複数の補正用周波数（ｆｍ１、ｆｍ２）のうち前記測定周波数（ｆｍ）よりも高い補正用周波数におけるインピーダンスを前記内部インピーダンス（Ｚ）として算出することを特徴とする請求項１または２に記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
前記電流検出手段（５１）にて検出した出力電流から直流成分を抽出すると共に、予め前記直流成分と前記出力電圧との関係を関連付けた電流電圧特性に基づいて、前記内部インピーダンス（Ｚ）に含まれる反応抵抗（Ｒ２）を算出する反応抵抗算出手段を備え、
前記特定インピーダンス算出手段（５４ａ）は、前記反応抵抗算出手段により算出された前記反応抵抗（Ｒ２）の影響を除去すると共に、前記内部インピーダンス（Ｚ）から前記高周波インピーダンス（Ｚｈ）を減算することで前記特定インピーダンス（Ｚ´）を算出することを特徴とする請求項１または２に記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
前記反応抵抗算出手段は、
前記直流成分が予め定められた閾値よりも大きい場合、前記直流成分の増加に伴って前記出力電圧が直線的に減少する前記電流電圧特性に基づいて前記反応抵抗（Ｒ２）を算出し、
前記直流成分が前記閾値以下の場合、前記直流成分の増加に伴って前記出力電圧が指数関数的に減少する前記電流電圧特性に基づいて前記反応抵抗（Ｒ２）を算出することを特徴とする請求項４に記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
前記燃料電池（１）の温度（Ｔ）を検出する温度検出手段（４６）を備え、
前記交流信号印加手段（３）は、前記燃料電池（１）の出力信号に、前記測定周波数（ｆｍ）、前記高周波数（ｆｈ）、および前記測定周波数（ｆｍ）よりも周波数が低い補正用周波数（ｆｍ３）を合成した交流信号を印加し、
前記インピーダンス算出手段（５３）は、
前記温度検出手段（４６）にて検出された温度（Ｔ）が所定の基準温度（Ｔｏ）よりも低い場合に、前記補正用周波数（ｆｍ３）におけるインピーダンスを前記内部インピーダンス（Ｚ）として算出することを特徴とする請求項１または２に記載のガス濃度測定装置。
【請求項７】
前記特定インピーダンス（Ｚ´）の位相（θ）および前記酸化剤ガスのガス濃度を予め関連付けた制御特性を記憶する記憶手段（５４ｄ）を備え、
前記ガス濃度算出手段（５４ｃ）は、前記記憶手段（５４ｄ）に記憶された前記制御特性を参照して、前記位相角算出手段（５４ｂ）にて算出した前記特定インピーダンス（Ｚ´）の位相（θ）に対応するガス濃度を算出することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の内部を流れる酸化剤ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気エネルギを出力する燃料電池に適用され、燃料電池の内部を流れる酸化剤ガスのガス濃度（酸素濃度）等を測定する測定装置が知られている。
【０００３】
この種の測定装置では、燃料電池に高周波から低周波までの幅広いレンジの交流電流を印加して、各周波数における燃料電池の内部インピーダンスを交流インピーダンス法によって算出し、当該内部インピーダンスから燃料電池の等価回路の回路定数を推定することで、燃料電池の等価回路から酸化剤ガスのガス濃度を測定するものがある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、燃料電池に印加する交流電流の周波数帯域を特定の帯域に限定することで、燃料電池の等価回路の回路定数を推定する推定時間の短縮を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６５８９４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では、燃料電池に印加する交流電流の周波数帯域を特定の帯域に限定しているものの、等価回路の回路定数を推定する場合には、当該特定の帯域において多数の周波数毎に内部インピーダンスを測定する必要があるので、ガス濃度の測定に時間（例えば、数秒程度）がかかってしまう。この場合、例えば、数ミリ秒〜数十ミリ秒といった短時間で酸化剤ガスのガス濃度が変動する車両用の燃料電池システム等では、ガス濃度の測定を適切に行うことができないといった問題がある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、燃料電池の内部を流れる酸化剤ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定装置において、ガス濃度の測定時間の短縮化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、燃料電池の内部における酸化剤ガスのガス濃度と燃料電池の出力信号に所定の周波数を印加した際の燃料電池（１）の内部インピーダンスに含まれる特定のインピーダンス成分の位相角との間の相関関係を利用することで、長時間を要する燃料電池（１）の等価回路の回路定数を算出することなく、酸化剤ガスのガス濃度を算出する構成としている。
【０００８】
すなわち、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する燃料電池（１）に適用され、燃料電池（１）の内部を流れる酸化剤ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定装置であって、燃料電池（１）の出力信号に所定の測定周波数（ｆｍ）および測定周波数（ｆｍ）よりも高い周波数に設定された高周波数（ｆｈ）を合成した交流信号を印加する交流信号印加手段（３）と、燃料電池（１）の出力電流を検出する電流検出手段（５１）と、燃料電池（１）の出力電圧を検出する電圧検出手段（５２）と、交流信号印加手段（３）にて交流信号を印加した際の出力電流および出力電圧に基づいて、測定周波数（ｆｍ）に対応する内部インピーダンス（Ｚ）および高周波数に対応する高周波インピーダンス（Ｚｈ）を算出するインピーダンス算出手段（５３）と、内部インピーダンス（Ｚ）から高周波インピーダンス（Ｚｈ）を減算することで、内部インピーダンス（Ｚ）から酸化剤ガスのガス濃度の変化に応じて変化する特定インピーダンス（Ｚ´）を算出する特定インピーダンス算出手段（５４ａ）と、特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）を算出する位相角算出手段（５４ｂ）と、特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）に基づいて酸化剤ガスのガス濃度を算出するガス濃度算出手段（５４ｃ）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
このように、酸化剤ガスのガス濃度および酸化剤ガスのガス濃度の変化に応じて変化する特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）との相関関係を利用して、酸化剤ガスのガス濃度の変化を測定する構成とすれば、燃料電池（１）の等価回路の回路定数を算出することなく、酸化剤ガスのガス濃度を短時間で算出可能となる。
【００１０】
この結果、酸化剤ガスのガス濃度が短時間で変動する燃料電池システムに適用する場合であっても、酸化剤ガスのガス濃度を適切に測定することが可能となる。
【００１１】
具体的には、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載のガス濃度測定装置において、測定周波数（ｆｍ）として、酸化剤ガスのガス濃度を予め基準ガス濃度とした条件において、交流信号印加手段（３）にて印加する周波数を高周波から低周波まで変化させた際に、内部インピーダンス（Ｚ）の実数部および虚数部がなす半円状の軌跡の頂部（Ｐ）に達したときの周波数を設定することができる。
【００１２】
ここで、燃料電池（１）の内部インピーダンスＺ（特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ））は、酸化剤ガスのガス濃度の変化以外の要因によっても変化してしまうことがある。例えば、燃料電池（１）の負荷が大きい場合には、内部インピーダンス（Ｚ）が増大して特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）が大きくなり、燃料電池（１）の負荷が小さい場合には、内部インピーダンス（Ｚ）が減少して特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）が小さくなるといった傾向がある。すなわち、燃料電池（１）の負荷変動によって、特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）が変化してしまうことがある。
【００１３】
そこで、請求項３に記載の発明では、燃料電池（１）の負荷を検出する負荷検出手段（５３ａ）を備え、交流信号印加手段（３）は、燃料電池（１）の出力信号に、測定周波数（ｆｍ）、高周波数（ｆｈ）、および測定周波数（ｆｍ）と異なる複数の補正用周波数（ｆｍ１、ｆｍ２）を合成した交流信号を印加し、インピーダンス算出手段（５３）は、負荷検出手段（５３ａ）にて検出された負荷が所定の第１負荷基準値よりも大きい場合に、複数の補正用周波数（ｆｍ１、ｆｍ２）のうち測定周波数（ｆｍ）よりも低い補正用周波数におけるインピーダンスを内部インピーダンス（Ｚ）として算出し、負荷検出手段（５３ａ）にて検出された負荷が第１負荷基準値よりも低い値に設定された第２負荷基準値よりも小さい場合に、複数の補正用周波数（ｆｍ１、ｆｍ２）のうち測定周波数（ｆｍ）よりも高い補正用周波数におけるインピーダンスを内部インピーダンス（Ｚ）として算出することを特徴とする。
【００１４】
このように、燃料電池（１）の負荷変動に応じて、内部インピーダンス（Ｚ）を算出する際の周波数を変更することで、燃料電池（１）の負荷変動による特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）の変化を補正することができる。この結果、酸化剤ガスのガス濃度をより適切に測定することが可能となる。
【００１５】
上述の如く、燃料電池（１）の負荷変動によって特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）が変動することがあるが、本発明者らの検討によると、この特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）の変動は、燃料電池（１）の負荷変動に伴う内部インピーダンス（Ｚ）に含まれる反応抵抗（Ｒ２）の変化が要因であることがわかっている。
【００１６】
そこで、請求項４に記載の発明では、請求項１または２に記載のガス濃度測定装置において、電流検出手段（５１）にて検出した出力電流から直流成分を抽出すると共に、予め直流成分と出力電圧との関係を関連付けた電流電圧特性に基づいて、内部インピーダンス（Ｚ）に含まれる反応抵抗（Ｒ２）を算出する反応抵抗算出手段を備え、特定インピーダンス算出手段（５４ａ）は、反応抵抗算出手段により算出された反応抵抗（Ｒ２）の影響を除去すると共に、内部インピーダンス（Ｚ）から高周波インピーダンス（Ｚｈ）を減算することで、特定インピーダンス（Ｚ´）を算出することを特徴とする。
【００１７】
これによると、内部インピーダンス（Ｚ）から燃料電池（１）の負荷変動によって変動する反応抵抗（Ｒ２）を除去するので、燃料電池（１）の負荷変動によって特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）が変動してしまうことを抑制することができる。この結果、酸化剤ガスのガス濃度をより適切に測定することが可能となる。
【００１８】
具体的には、請求項５に記載の発明のように、請求項４に記載のガス濃度測定装置において、反応抵抗算出手段にて、直流成分が予め定められた閾値よりも大きい場合、直流成分の増加に伴って出力電圧が直線的に減少する電流電圧特性に基づいて反応抵抗（Ｒ２）を算出し、直流成分が閾値以下の場合、直流成分の増加に伴って出力電圧が指数関数的に減少する電流電圧特性に基づいて反応抵抗（Ｒ２）を算出する構成とすることができる。
【００１９】
また、燃料電池（１）の温度（Ｔ）が低い場合には、内部インピーダンス（Ｚ）が増大して特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）が大きくなるといった傾向がある。
【００２０】
このため、請求項６に記載の発明では、請求項１または２に記載のガス濃度測定装置において、請求項１または２に記載のガス濃度測定装置において、燃料電池（１）の温度（Ｔ）を検出する温度検出手段（４６）を備え、交流信号印加手段（３）は、燃料電池（１）の出力信号に、測定周波数（ｆｍ）、高周波数（ｆｈ）、および測定周波数（ｆｍ）よりも周波数が低い補正用周波数（ｆｍ３）を合成した交流信号を印加し、インピーダンス算出手段（５３）は、温度検出手段（４６）にて検出された温度（Ｔ）が所定の基準温度（Ｔｏ）よりも低い場合に、補正用周波数（ｆｍ３）におけるインピーダンスを内部インピーダンス（Ｚ）として算出することを特徴とする。
【００２１】
このように、燃料電池（１）の温度が低い場合には、内部インピーダンス（Ｚ）を算出する際の周波数を低くすることで、燃料電池（１）の温度が低いことによる特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）の変化を補正することができる。この結果、酸化剤ガスのガス濃度をより適切に測定することが可能となる。
【００２２】
具体的には、請求項７に記載の発明のように、請求項１ないし６のいずれか１つに記載のガス濃度測定装置において、特定インピーダンス（Ｚ´）の位相（θ）および酸化剤ガスのガス濃度を予め関連付けた制御特性を記憶する記憶手段（５４ｄ）を備え、ガス濃度算出手段（５４ｃ）では、記憶手段（５４ｄ）に記憶された制御特性を参照して、位相算出手段（５４ｂ）にて算出した特定インピーダンス（Ｚ´）の位相（θ）に対応するガス濃度を算出するようにしてもよい。
【００２３】
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を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】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。
【図２】第１実施形態に係る電池セルの模式図である。
【図３】第１実施形態に係るガス濃度測定装置の模式図である。
【図４】燃料電池のカソード側電極の等価回路を示す回路図である
【図５】図４の等価回路において、高周波から低周波までの交流信号を印加した場合の燃料電池の内部インピーダンスを複素平面上に示した特性図である。
【図６】セルに供給する空気のストイキ比を変化させた場合のＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図である。
【図７】特定インピーダンスの位相角と酸素濃度との関係を示す特性図である。
【図８】第１実施形態の信号処理回路および演算装置にて行う制御処理を示すフローチャートである。
【図９】燃料電池の負荷が変動した場合のＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図である。
【図１０】燃料電池の温度が変動した場合のＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図である。
【図１１】燃料電池における出力電流と出力電圧との関係を示す電流電圧特性図である。
【図１２】内部インピーダンスから反応抵抗の影響を除去する際の出力電流の変化を説明する説明図である。
【図１３】燃料電池の負荷が変動した場合のＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図８に基づいて説明する。図１は、本実施形態のガス濃度測定装置５０を適用した燃料電池システムの全体構成図であり、図２は、本実施形態の電池セルの模式図である。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。
【００２７】
まず、燃料電池システムは、図１に示すように、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。燃料電池１は、図示しない車両走行用電動モータや２次電池といった各種電気負荷２に供給される電気エネルギを出力するもので、本実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池を採用している。
【００２８】
より具体的には、燃料電池１は、基本単位となる電池セル１０（以下、単にセル１０と記載する。）が複数個、電気的に直列に接続されて構成されたものである。換言すれば、燃料電池１は、複数のセル１０が積層配置されて構成されている。
【００２９】
図２に示すように、各セル１０は、固体高分子からなる電解質膜１０１ａの両側面に一対の電極１０１ｂ、１０１ｃが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０１と、この膜電極接合体１０１を狭持する一対のセパレータ１０２、１０３で構成されている。
【００３０】
一対のセパレータ１０２、１０３は、カーボン材や導電性金属よりなる板状プレートからなり、アノード電極１０１ｂと対向する面に水素が流れる水素流路（図示略）が形成され、カソード電極１０１ｃと対向する面に空気が流れる空気流路（図示略）が形成されている。
【００３１】
各セル１０では、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。
【００３２】
（負極側：アノード電極）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側：カソード電極）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
図１に戻り、燃料電池１と電気負荷２との間には、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ３を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ３は、燃料電池１から電気負荷２、あるいは電気負荷２から燃料電池１への電力の流れを制御するものである。
【００３３】
また、各セル１０のうち、空気（酸化剤ガス）のガス濃度（以下、単に酸素濃度と記載する。）の測定対象となるセル１０には、ガス濃度測定装置５０が接続されている。このガス濃度測定装置５０については後述する。
【００３４】
燃料電池１のカソード電極１０１ｃ側には、酸化剤ガスである空気（酸素）を燃料電池１に供給するための空気供給配管２０、並びに、燃料電池１にて電気化学反応を終えた余剰空気および空気極で生成された生成水を燃料電池１から外気へ排出するための空気排出配管２１が接続されている。
【００３５】
空気供給配管２０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２２が設けられ、空気排出配管２１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。なお、本実施形態では、空気ポンプ２２および空気調圧弁２３によって、所定の流量および圧力の空気を燃料電池１に供給する酸化剤ガス側のガス供給手段が構成される。
【００３６】
燃料電池１のアノード電極１０１ｂ側には、燃料ガスである水素を燃料電池１に供給するための水素供給配管３０、アノード側に溜まった生成水を微量な水素とともに燃料電池１から外気へ排出するための水素排出配管３１が接続されている。
【００３７】
水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３２が設けられ、水素供給配管３０における高圧水素タンク３２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水素調圧弁３３が設けられている。なお、本実施形態では、この水素調圧弁３３によって、所定の圧力の水素を燃料電池１に供給する燃料ガス側のガス供給手段が構成される。
【００３８】
水素排出配管３１には、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、アノード電極１０１ｂ側において生成水は発生しないものの、アノード電極１０１ｂ側には、カソード電極１０１ｃ側から各セル１０の電解質膜１０１ａを透過した生成水が溜まるおそれがある。このため、本実施形態では、水素排出配管３１および電磁弁３４を設けている。
【００３９】
ところで、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には、燃料電池１を冷却するための冷却水回路４０が接続されている。この冷却水回路４０には、燃料電池１に冷却水（熱媒体）を循環させるウォータポンプ４１、電動ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。
【００４０】
さらに、冷却水回路４０には、冷却水を、ラジエータ４３を迂回するように流すバイパス流路４４が設けられている。冷却水回路４０とバイパス流路４４との合流点には、バイパス流路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。この流路切替弁４５の弁開度が調整されることによって、冷却水回路４０の冷却能力が調整される。
【００４１】
また、冷却水回路４０の燃料電池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。なお、この温度センサ４６の検出信号は、後述する制御装置６０に入力される。
【００４２】
燃料電池システムには、各種制御を行う発電制御手段としての制御装置（ＥＣＵ）６０が設けられている。この制御装置６０は、入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、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。
【００４３】
具体的には、制御装置６０の入力側には、ガス濃度測定装置５０、温度センサ４６の検出信号等以外に、車室内に設けられた車両起動スイッチ６０ａの操作信号等が入力される。なお、車両起動スイッチ６０ａは、空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３等の作動開始信号を出力する開始信号出力手段の機能を兼ねる。
【００４４】
一方、出力側には、上述の空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、電磁弁３４、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等の各種電気式アクチュエータ等が接続されている。
【００４５】
次に、本実施形態のガス濃度測定装置５０について図３に基づいて説明する。図３は、本実施形態のガス濃度測定装置５０の模式図である。本実施形態のガス濃度測定装置５０は、測定対象となるセル１０（測定対象セル）における空気出口部（図２参照）付近の酸素濃度を測定するもので、図３に示すように、電流測定装置５１、電圧センサ５２、上述のＤＣ−ＤＣコンバータ３、信号処理回路５３、演算装置５４を備えて構成されている。
【００４６】
電流測定装置５１は、セル面内の局所電流を検出する局所電流測定装置であって、酸素濃度を測定するセル１０における空気出口部付近から出力される出力電流を検出する電流検出手段を構成している。
【００４７】
本実施形態の電流測定装置５１は、測定対象となるセル１０に隣接して配置された板状部材を備え、当該セル１０を流れる局所電流を検出可能に構成されている。電流測定装置５１としては、例えば、板状部材におけるセル１０における測定対象部位に対応する局所部位に溝部を形成し、当該溝部に電流センサを配置して構成することができる。なお、電流センサは、シャント抵抗、ホールＩＣ等を利用した周知のセンサを用いることができる。
【００４８】
電圧センサ５２は、セル１０から出力される出力電圧（空気出口部付近の一対の電極１０１ｂ、１０１ｃ間の電位差）を検出する電圧検出手段である。
【００４９】
電流測定装置５１および電圧センサ５２それぞれは、信号処理回路５３に接続されており、電流測定装置５１および電圧センサ５２の各検出信号が信号処理回路５３に出力されるように構成されている。
【００５０】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、上述のように、電気負荷２および燃料電池１の双方向に電力を伝達可能なものであり、本実施形態では、セル１０の出力信号に任意の周波数で、正弦波等の交流信号（交流電流）を印加する交流信号印加手段を構成している。なお、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ３は、異なる複数の周波数を合成した交流信号を燃料電池１の出力信号に印加可能に構成されている。
【００５１】
信号処理回路５３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３にて任意の周波数の交流信号（交流電流）が印加された際の電流測定装置５１および電圧センサ５２から出力される各検出信号に基づいて、セル１０の内部インピーダンスＺを算出するインピーダンス算出手段を構成している。
【００５２】
信号処理回路５３は、演算装置５４に接続されており、信号処理回路５３にて算出した内部インピーダンスＺの算出結果が演算装置５４に出力されるように構成されている。
【００５３】
さらに、本実施形態の信号処理回路５３は、異なる複数の周波数の交流信号（交流電流）が印加された場合に、高速フーリエ変換処理等によって、交流信号に含まれる直流成分（直流電流）および各周波数に対応する交流成分を抽出可能に構成されている。
【００５４】
ここで、交流信号に含まれる直流成分（直流電流）は、燃料電池１の負荷変動に相関関係があるので、信号処理回路５３にて交流信号に含まれる直流成分を抽出することで、間接的に燃料電池１の負荷変動を検出することができる。なお、信号処理回路５３における交流信号に含まれる直流成分を抽出する構成（ハードウェア、ソフトウェア）を負荷検出手段５３ａとする。
【００５５】
演算装置５４は、各種入力信号に基づいて各種演算処理を実行するもので、ＣＰＵ、およびＲＯＭ、ＲＡＭといった記憶部（記憶手段）５４ｄ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より構成されている。例えば、本実施形態の演算装置５４は、内部インピーダンスＺのうち、セル１０内の酸素濃度の変化に応じて変化する特定インピーダンスＺ´を算出する算出処理、当該特定インピーダンスＺ´の位相角θを算出する算出処理、および特定インピーダンスＺ´の位相角θからセル１０内の酸素濃度を算出する算出処理を行う。なお、演算装置５４にて算出する特定インピーダンスＺ´は、内部インピーダンスＺから電解質膜１０１ａの膜抵抗の影響を除去したインピーダンスである。
【００５６】
本実施形態では、演算装置５４における特定インピーダンスＺ´を算出する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）を特定インピーダンス算出手段５４ａ、特定インピーダンスＺ´の位相角を算出する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）を位相角算出手段５４ｂ、セル１０内の酸素濃度を算出する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）をガス濃度算出手段５４ｃとする。
【００５７】
ここで、セル１０の交流インピーダンスＺに含まれる特定インピーダンスＺ´の位相角θに基づいてセル１０内の酸素濃度を算出する算出方法について、図４〜図７に基づいて説明する。
【００５８】
図４は、燃料電池１のカソード側電極１０１ｃの等価回路を示す回路図である。図４の等価回路におけるＲ１は、電解質膜１０１ａの膜抵抗、Ｒ２は反応抵抗、Ｒ３はカソード側過電圧、Ｃｄは電気二重層（コンデンサ成分）に相当している。
【００５９】
図５は、図４に示す等価回路において、高周波から低周波までの交流信号（交流電流）を印加した場合の燃料電池の内部インピーダンスＺを複素平面上に示した特性図（Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図）である。
【００６０】
図５に示すように、セル１０に印加する交流信号の周波数が無限に大きい場合（ｆ＝∞）の内部インピーダンスＺ∞は、電解質膜１０１ａの膜抵抗Ｒ１となる。一方、セル１０に印加する交流信号の周波数が非常に小さい場合（ｆ≒０）の内部インピーダンスＺｏは、膜抵抗Ｒ１、反応抵抗Ｒ２、カソード側過電圧Ｒ３の合算（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）となる。なお、高周波から低周波まで周波数を変化させたときの内部インピーダンスＺは、図５に示すように、反応抵抗Ｒ２、カソード側過電圧Ｒ３の合算値を直径とした半円状の軌跡となる。
【００６１】
ところで、燃料電池１は、セル１０内の酸素濃度が低下すると、反応抵抗Ｒ２およびカソード側過電圧Ｒ３が増大する。このため、セル１０内の酸素濃度が低下すると、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図における半円状の軌跡の直径（Ｒ２＋Ｒ３）が大きくなる。なお、内部インピーダンスＺの実数部から電解質膜１０１ａの膜抵抗Ｒ１を減算したインピーダンスが、内部インピーダンスＺにおける酸素濃度の変化に応じて変化する特定インピーダンスＺ´となる。
【００６２】
図６は、セル１０に供給する空気のストイキ比Ｓｔを変化させた場合のＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図を示している。ここで、空気の「ストイキ比Ｓｔ」とは、燃料電池１に所定値の電流を流す際に必要となる空気の理論供給量と実際の空気の供給量との比を意味する。ストイキ比Ｓｔが小さい場合には、セル１０内の酸素濃度が低く、ストイキ比Ｓｔが大きい場合には、セル１０内の酸素濃度が高くなるといった関係がある。なお、図６では、空気のストイキ比Ｓｔが１．０の場合の内部インピーダンスＺを黒丸、空気のストイキ比Ｓｔが１．２の場合の内部インピーダンスＺを黒四角、空気のストイキ比Ｓｔが１．４の場合の内部インピーダンスＺを黒三角、空気のストイキ比Ｓｔが１．８の場合の内部インピーダンスＺをバツ印で示している。
【００６３】
図６に示すように、空気のストイキ比Ｓｔが小さい場合には、セル１０内の酸素濃度が低下し、空気のストイキ比Ｓｔが大きい場合に比べて、反応抵抗Ｒ２およびカソード側過電圧Ｒ３が増大する。このため、セル１０内の酸素濃度の低下に伴って、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図における半円状の軌跡の直径（Ｒ２＋Ｒ３）が相似的に大きくなる。
【００６４】
そして、所定の測定周波数ｆｍの交流信号を印加した場合の内部インピーダンスＺは、空気のストイキ比Ｓｔが小さい場合に、ストイキ比Ｓｔが大きい場合に比べて、内部インピーダンスＺの虚数部（リアクタンス成分）が増大する。
【００６５】
例えば、ストイキ比Ｓｔが１．４の場合に、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図における半円状の軌跡の頂部（虚数部のピーク値Ｐ）に達する周波数を測定周波数ｆｍ（２０Ｈｚ）とすると、当該測定周波数ｆｍにおける内部インピーダンスＺは、図６の白丸および各白丸を結ぶ一点鎖線で示すように、ストイキ比Ｓｔが小さくなるほど内部インピーダンスＺの虚数部が増大する。なお、このような関係は、ストイキ比Ｓｔが１．１の場合に、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図における半円状の軌跡の頂部（虚数部のピークＰ）に達する周波数を測定周波数ｆｍ（５Ｈｚ）としても同様の関係となる（図６の白三角および各白三角を結ぶ一点鎖線参照）。
【００６６】
ここで、特定インピーダンスＺ´の位相角θは、図６に示すように、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図において、セル１０に印加する交流信号の周波数が無限に大きい場合（ｆ＝∞）の内部インピーダンスＺ∞と、測定周波数の交流信号を印加した際の内部インピーダンスＺｍとを結ぶ仮想線Ｌと実軸とのなす角度（鋭角）に相当している。
【００６７】
この特定インピーダンスＺ´の位相角θは、図７の特定インピーダンスＺ´の位相角θとストイキ比Ｓｔとの関係を示す特性図に示すように、ストイキ比Ｓｔが小さくなるほど大きくなる。つまり、特定インピーダンスＺ´の位相角θとセル１０内の酸素濃度との間には、セル１０内の酸素濃度の低下に伴って、特定インピーダンスＺ´の位相角θが増大する（位相が遅れる）といった相関関係がある。
【００６８】
このような特定インピーダンスＺ´の位相角θとセル１０内の酸素濃度の相関関係を利用すれば、特定インピーダンスＺ´の位相角θを算出することで、セル１０内の酸素濃度を算出することが可能となる。
【００６９】
上記構成に係る本実施形態のガス濃度測定装置５０でのセル１０内の酸素濃度を測定する際の作動を、図８のフローチャートにより説明する。図８に示す制御フローは、車両起動スイッチ６０ａが投入（ＯＮ）されて、燃料電池１の発電状態となるとスタートする。なお、図８では、信号処理回路５３および演算装置５４にて行う処理を１つのフローチャートで示している。
【００７０】
車両が起動すると、フラグ、タイマ等の初期化処理がなされる（Ｓ１０）。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から燃料電池１に所定の交流信号を印加する（Ｓ２０）。ＤＣ−ＤＣコンバータ３では、予め設定された測定周波数ｆｍ、および当該測定周波数ｆｍよりも高い周波数に設定された高周波数ｆｈを合成した交流信号を印加する。
【００７１】
具体的には、測定周波数ｆｍとしては、セル１０内の酸素濃度を予め設定された基準ガス濃度（例えば、ストイキ比＝１．４としたときのセル内の酸素濃度）とした条件で、印加する周波数を高周波から低周波まで変化させた際に、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図における半円状の軌跡の頂部（虚数部のピーク値Ｐ）に達したときの周波数を設定することができる。また、高周波数ｆｈとしては、印加する周波数を低周波から高周波まで変化させた際に、内部インピーダンスＺの虚数部が「０」付近に収束したときの周波数を設定することができる。
【００７２】
次に、信号処理回路５３および演算装置５４に出力される各種信号を読み込む。具体的には、電流測定装置５１および電圧センサ５２にて検出したセル１０の出力電流および出力電圧を読み込む（Ｓ３０）。
【００７３】
次に、Ｓ３０にて検出した出力電流および出力電圧における測定周波数ｆｍに対応する交流成分を抽出し、抽出した交流成分に基づいて、燃料電池１の内部インピーダンスＺを算出する（Ｓ４０）。
【００７４】
また、Ｓ３０にて検出した出力電流および出力電圧における高周波数ｆｈに対応する交流成分を抽出し、抽出した交流成分に基づいて、燃料電池１の高周波インピーダンスＺｈを算出する（Ｓ５０）。なお、本実施形態の高周波インピーダンスＺｈは、セル１０に印加する交流信号の周波数が無限に大きい場合（ｆ＝∞）の内部インピーダンスＺ∞に相当する。
【００７５】
次に、Ｓ４０で算出した燃料電池１の内部インピーダンスＺからＳ５０で算出した高周波インピーダンスＺｈを減算することで、セル１０内の酸素濃度の変化に応じて変化する特定インピーダンスＺ´を算出する（Ｓ６０）。具体的には、内部インピーダンスＺの実数部から高周波インピーダンスＺｈの実数部を減算し、内部インピーダンスＺから電解質膜１０１ａの膜抵抗Ｒ１の影響を除去することで、特定インピーダンスＺ´を算出する。
【００７６】
次に、Ｓ６０にて算出した特定インピーダンスＺ´の位相角θを算出する（Ｓ７０）。具体的には、この位相角θは、特定インピーダンスＺ´の実数部をＺｒｅ´、虚数部をＺｉｍ´としたときに次に示す数式Ｆ１を用いて算出することができる。
【００７７】
θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｚｉｍ´／Ｚｒｅ´）  ・・・  Ｆ１
次に、Ｓ７０にて算出した特定インピーダンスＺ´の位相角θに基づいて、セル１０の空気出口部の酸素濃度を算出する（Ｓ８０）。セル１０の空気出口部における酸素濃度の算出処理では、特定インピーダンスＺ´の位相角θとセル１０の空気出口部における酸素濃度との相関関係を予め関連付けた制御特性（制御マップ）を記憶部５４ｄに記憶し、当該制御特性を参照することで、算出することができる。
【００７８】
以上説明した本実施形態では、所定の測定周波数ｆｍにおける内部インピーダンスＺのうち、セル１０内の酸素濃度の変化に応じて変化する特定インピーダンスＺ´の位相角θを利用して、セル１０の空気出口部における酸素濃度の変化を測定する構成としている。このため、従来の如く、長時間を要する燃料電池１の等価回路における回路定数の算出処理を行うことなく、セル１０の空気出口部における酸素濃度を短時間で算出可能となる。
【００７９】
この結果、本実施形態のガス濃度測定装置をセル１０の空気出口部における酸素濃度が短時間で変動する車両用の燃料電池システムに適用したとしても、セル１０の空気出口部における酸素濃度を適切に測定することができる。
【００８０】
さらに、本実施形態では、測定周波数ｆｍおよび高周波数ｆｈを合成した交流信号を印加する構成であるため、測定周波数ｆｍおよび高周波数ｆｈの交流信号を別個に印加する構成に比べて、セル１０の空気出口部における酸素濃度を短時間で算出可能となる。
【００８１】
なお、酸素濃度の測定では、酸素濃度８％程度までの低い濃度側にて測定精度が出るので、この測定精度を出すにはセル１０の全体の空気出口部のトータル面積の１０％程度の領域で酸素濃度を測定することが望ましい。
【００８２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図９に基づいて説明する。ここで、図９は、燃料電池１の負荷が変動した場合のＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図である。なお、図９では、燃料電池１の負荷が変動した場合に、測定周波数ｆｍに対応する内部インピーダンスＺの変化を黒丸で示し、後述する第１の補正用周波数ｆｍ１に対応する内部インピーダンスＺの変化を黒四角で示し、後述する第２の補正用周波数ｆｍ２に対応する内部インピーダンスＺの変化を黒三角で示している。
【００８３】
燃料電池システムでは、電気負荷２からの要求電力量に応じて、燃料電池１の負荷（発電量）が変動するが、この燃料電池１の負荷が変動によって、特定インピーダンスＺ´の位相角θが変動してしまうことがある。このため、燃料電池１の負荷変動が、ガス濃度測定装置５０の酸素濃度の測定精度に影響する可能性がある。
【００８４】
例えば、測定周波数ｆｍの交流信号を燃料電池１に印加したときに、図９に示すように、燃料電池１の負荷が通常よりも高くなると、燃料電池１の内部インピーダンスＺが増大して、特定インピーダンスＺ´の位相角がθ２からθ３へと大きくなる。一方、燃料電池１の負荷が通常よりも低くなると、燃料電池１の内部インピーダンスＺが減少して、特定インピーダンスＺ´の位相角がθ２からθ１へと小さくなる。
【００８５】
そこで、本実施形態では、燃料電池１の負荷変動に応じて、燃料電池１の内部インピーダンスＺを測定する際の周波数を変更することで、燃料電池１の負荷変動による酸素濃度の測定精度への影響を抑制する構成としている。
【００８６】
具体的には、本実施形態では、まず、測定周波数ｆｍおよび高周波数ｆｈに加えて、測定周波数ｆｍと異なる複数の補正用周波数ｆｍ１、ｆｍ２を合成した交流信号を燃料電池１に印加する。この補正用周波数ｆｍ１、ｆｍ２としては、例えば、測定周波数（例えば２０Ｈｚ）よりも高い周波数（例えば３０Ｈｚ）を第１の補正用周波数ｆｍ１とし、測定周波数（例えば２０Ｈｚ）よりも低い周波数（例えば５Ｈｚ）を第２の補正用周波数ｆｍ２とすることができる（ｆｍ２＜ｆｍ＜ｆｍ１）。
【００８７】
次に、燃料電池１の負荷変動を信号処理回路５３における負荷検出手段５３ａにて検出する。なお、燃料電池１の負荷変動は、電流測定装置５１にて検出する出力電流に含まれる直流成分に限らず、例えば、燃料電池１への要求電力量にも相関関係があるので、当該要求電力量から間接的に燃料電池１の負荷変動を検出してもよい。
【００８８】
そして、燃料電池１の負荷が予め設定された第１負荷基準値よりも大きい場合には、燃料電池１の負荷の増大によって特定インピーダンスＺ´の位相角θが大きくなっていると判断できるので、測定周波数ｆｍよりも低い第２の補正用周波数ｆｍ２に対応するインピーダンスＺを燃料電池１の内部インピーダンスＺとして算出する。
【００８９】
この場合、第２の補正用周波数ｆｍ２における内部インピーダンスＺ（図９の負荷が大きい場合の軌跡における黒三角参照）から算出した特定インピーダンスＺ´の位相角θは、測定周波数ｆｍにおける内部インピーダンスＺ（図９の負荷が大きい場合の軌跡における黒丸参照）から算出した特定インピーダンスＺ´の位相角θよりも小さくなる。
【００９０】
このため、測定周波数ｆｍよりも低い第２の補正用周波数ｆｍ２で燃料電池１の内部インピーダンスＺを算出することで、燃料電池１の負荷変動によって増加した特定インピーダンスＺ´の位相角θを小さくする補正を行うことができる。
【００９１】
一方、燃料電池１の負荷が予め第１負荷基準値よりも低く値に設定された第２負荷基準値よりも小さい場合には、燃料電池１の負荷の減少によって特定インピーダンスＺ´の位相角θが小さくなっていると判断できるので、測定周波数ｆｍよりも高い第１の補正用周波数ｆｍ１に対応するインピーダンスＺを燃料電池１の内部インピーダンスＺとして算出する。
【００９２】
この場合、第１の補正用周波数ｆｍ１における内部インピーダンスＺ（図９の負荷が小さい場合の軌跡における黒四角参照）から算出した特定インピーダンスＺ´の位相角θは、測定周波数ｆｍにおける内部インピーダンスＺ（図９の負荷が小さい場合の軌跡における黒丸参照）から算出した特定インピーダンスＺ´の位相角θよりも大きくなる。
【００９３】
このため、測定周波数ｆｍよりも高い第１の補正用周波数ｆｍ１で燃料電池１の内部インピーダンスＺを算出することで、燃料電池１の負荷変動によって減少した特定インピーダンスＺ´の位相角θを大きくする補正を行うことができる。
【００９４】
このように本実施形態では、燃料電池１の負荷変動に応じて、内部インピーダンスＺを算出する際の周波数を変更する構成としているので、燃料電池１の負荷変動の影響で増減する特定インピーダンスＺ´の位相角θを補正することができる。この結果、酸素濃度をより適切に測定することが可能となる。
【００９５】
なお、本実施形態では、測定周波数ｆｍ、高周波数ｆｈ、および２つの補正用周波数ｆｍ１、ｆｍ２を合成した交流信号を燃料電池１に印加しているが、測定周波数ｆｍ、高周波数ｆｈ、および３つ以上の補正用周波数を合成した交流信号を燃料電池１に印加するようにしてもよい。この場合、燃料電池１の負荷レベルを複数の段階に分けて、負荷が高いレベルになるほど、低い周波数の補正用周波数にて内部インピーダンスＺを算出し、負荷が低いレベルになるほど、高い周波数の補正用周波数にて内部インピーダンスＺを算出するようにすればよい。
【００９６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１０に基づいて説明する。ここで、図１０は、燃料電池１の温度が低下した場合の特定インピーダンスＺ´の位相θの変化を示す特性図である。なお、図１０では、燃料電池１の温度が低温状態から適温状態へと変化した場合に、測定周波数ｆｍに対応する内部インピーダンスＺの変化を黒丸で示し、後述する第３の補正用周波数ｆｍ３に対応する内部インピーダンスＺの変化を黒四角で示している。
【００９７】
燃料電池システムでは、燃料電池１の発電開始の初期段階では、通常、燃料電池１の温度が低い低温状態となるが、この燃料電池１の温度が低温状態では、高温状態に比べて、特定インピーダンスＺ´が増大してしまう。このため、燃料電池１の低温状態において、ガス濃度測定装置５０にて酸素濃度を測定すると、燃料電池１の温度の影響によって、測定精度が低下する可能性がある。
【００９８】
例えば、測定周波数ｆｍの交流信号を燃料電池１に印加したときに、図１０に示すように、燃料電池１の温度が適温よりも低い場合には、燃料電池１の内部インピーダンスＺが増大して、特定インピーダンスＺ´の位相角がθ３からθ４へと大きくなる。
【００９９】
そこで、本実施形態では、燃料電池１の温度に応じて、燃料電池１の内部インピーダンスＺを測定する際の周波数を変更することで、燃料電池１の温度変化による酸素濃度の測定精度への影響を抑制する構成としている。
【０１００】
具体的には、本実施形態では、測定周波数ｆｍおよび高周波数ｆｈに加えて、測定周波数ｆｍと異なる補正用周波数ｆｍ３を合成した交流信号を燃料電池１に印加する。この補正用周波数ｆｍ３としては、例えば、測定周波数（例えば２０Ｈｚ）よりも低い周波数（例えば１０Ｈｚ）を第３の補正用周波数ｆｍ３とすることができる（ｆｍ３＜ｆｍ）。
【０１０１】
次に、燃料電池１の温度を温度センサ４６にて検出し、検出した燃料電池１の温度が予め設定された基準温度Ｔｏより低い場合には、特定インピーダンスＺ´の位相角θが大きくなっていると判断できるので、測定周波数ｆｍよりも低い第３の補正用周波数ｆｍ３に対応するインピーダンスＺを燃料電池１の内部インピーダンスＺとして算出する。
【０１０２】
この場合、第３の補正用周波数ｆｍ３における内部インピーダンスＺ（図１０の温度が低い場合の軌跡における黒四角参照）から算出した特定インピーダンスＺ´の位相角θは、測定周波数ｆｍにおける内部インピーダンスＺ（図１０の温度が低い場合の軌跡における黒丸参照）から算出した特定インピーダンスＺ´の位相角θよりも小さくなる。つまり、測定周波数ｆｍよりも低い第３の補正用周波数ｆｍ３で燃料電池１の内部インピーダンスＺを算出することで、燃料電池１の温度によって増加した特定インピーダンスＺ´の位相角θを小さくする補正を行うことができる。
【０１０３】
このように本実施形態では、燃料電池１の温度に応じて、内部インピーダンスＺを算出する際の周波数を変更する構成としているので、燃料電池１の温度によって増減する特定インピーダンスＺ´の位相角θを補正することができる。この結果、酸素濃度をより適切に測定することが可能となる。
【０１０４】
なお、本実施形態では、測定周波数ｆｍ、高周波数ｆｈ、および１つの補正用周波数ｆｍ３を合成した交流信号を燃料電池１に印加しているが、測定周波数ｆｍ、高周波数ｆｈ、および２つ以上の補正用周波数を合成した交流信号を燃料電池１に印加するようにしてもよい。この場合、燃料電池１の低温域を複数の段階に分けて、温度が小さい低温域になるほど、低い周波数の補正用周波数にて内部インピーダンスＺを算出するようにすればよい。
【０１０５】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１１〜図１３に基づいて説明する。
【０１０６】
上述の第２実施形態では、燃料電池１の負荷変動によって特定インピーダンスＺ´の位相角θが変動することを説明したが、本発明者らが検証したところ、この特定インピーダンスＺ´の位相角θの変動は、燃料電池１の負荷変動に伴う内部インピーダンスＺに含まれる反応抵抗Ｒ２の変化が要因であることがわかっている。
【０１０７】
本実施形態では、信号処理回路５３および演算装置５４にて、内部インピーダンスＺに含まれる反応抵抗Ｒ２を算出し、内部インピーダンスＺから反応抵抗Ｒ２の成分を除去する補正を行うことで、燃料電池１の負荷変動による酸素濃度の測定精度への影響を抑制する構成としている。
【０１０８】
信号処理回路５３および演算装置５４にて行う内部インピーダンスＺに含まれる反応抵抗Ｒ２を算出手法について説明する。まず、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から燃料電池１に測定周波数ｆｍおよび高周波数ｆｈを合成した交流信号を印加した後、電流測定装置５１にてセル１０の出力電流を検出する。
【０１０９】
その後、信号処理回路５３にて電流測定装置５１で検出したセル１０の出力電流から直流成分を抽出する。そして、信号処理回路５３にて抽出した直流成分、および予め当該直流成分と出力電圧との関係を関連付けた電流電圧特性に基づいて、反応抵抗Ｒ２を算出する。
【０１１０】
ここで、図１１は、燃料電池１における出力電流（電流密度）と出力電圧との関係を示す電流電圧特性図（ＩＶ特性図）である。図１１に示すように、燃料電池１における出力電流（電流密度）と出力電圧との関係は、電流密度が基準電流密度以下となる領域（以降、ターフェル領域と称する。）において、電流密度の増加に伴って出力電圧が指数関数的に減少する傾向がある。また、電流密度が基準電流密度より大きくなる領域（以降、線形領域と称する。）において、電流密度の増加に伴って線形的に減少する傾向がある。
【０１１１】
このような傾向を示す電流電圧特性は、ターフェル領域を周知のバトラーボルマーの式を基礎とする数式（第１の数式）により定義することができ、線形領域を予め出力電流（電流密度）と出力電圧との比例関係を関連付けた数式（第２の数式）により定義することができる。なお、本実施形態では、上述の第１の数式および第２の数式により「電流電圧特性」が定義される。
【０１１２】
このように、燃料電池１の電流電圧特性は、基準電流密度を境に異なる傾向を示す。このため、反応抵抗Ｒ２を算出する際には、基準電流密度を閾値として設定して、信号処理回路５３にて抽出した直流成分が当該閾値以下であるか否かを判定する。
【０１１３】
この結果、直流成分が閾値以下と判定された場合には、直流成分の増加に伴って出力電圧が指数関数的に減少する電流電圧特性に相当する第１の数式（バトラーボルマーを基礎とする数式）に基づいて、セル１０の交換電流密度ｉｏを算出し、この交換電流密度ｉｏから反応抵抗Ｒ２を算出する。なお、交換電流密度ｉｏは、反応抵抗Ｒ２と逆数の関係にあるため、交換電流密度ｉｏを算出することで反応抵抗Ｒ２を算出することができる。
【０１１４】
一方、信号処理回路５３にて抽出した直流成分が当該閾値より大きい場合には、直流成分の増加に伴って出力電圧が直線的に減少する電流電圧特性に相当する第２の数式（線形式）に基づいて、セル１０の交換電流密度ｉｏを算出し、この交換電流密度ｉｏから反応抵抗Ｒ２を算出する。
【０１１５】
なお、信号処理回路５３および演算装置５４における内部インピーダンスＺに含まれる反応抵抗Ｒ２を算出するためのソフトウェアおよびハードウェアが反応抵抗算出手段を構成する。
【０１１６】
次に、信号処理回路５３および演算装置５４にて行う内部インピーダンスＺから反応抵抗Ｒ２の影響を除去する補正について図１２、図１３に基づいて説明する。図１２は、内部インピーダンスＺから反応抵抗Ｒ２の影響を除去する際の出力電流の変化を説明する説明図であり、図１２の（ａ）が反応抵抗Ｒ２の影響を除去する前の出力電流を示し、反応抵抗Ｒ２の影響を除去した後の出力電流を示している。
【０１１７】
まず、信号処理回路５３にて電流測定装置５１で検出したセル１０の出力電流から測定周波数ｆｍに対応する交流成分を抽出する。そして、信号処理回路５３にて抽出した交流成分、および内部インピーダンスＺに含まれる反応抵抗Ｒ２により、反応抵抗Ｒ２の影響を交流電流に置き換えた関数Ｈ（ｔ）を生成する。
【０１１８】
その後、信号処理回路５３にて電流測定装置５１で検出したセル１０の出力電流のデータ（Ｉ＝Ｈ（ｔ）・Ｆ（ｔ））に反応抵抗Ｒ２の影響を示す関数Ｈ（ｔ）を畳み込み積分することで、図１２に示す反応抵抗Ｒ２の影響を除去した出力電流（Ｉ＝Ｆ（ｔ））を得る。
【０１１９】
このようにして得られた出力電流（Ｉ＝Ｆ（ｔ））および燃料電池１の出力電圧を信号処理回路５３にて高速フーリエ変換処理（ＦＦＴ）を行うことで、測定周波数における内部インピーダンスＺから反応抵抗Ｒ２の影響を除去したインピーダンスを得る。
【０１２０】
そして、内部インピーダンスＺから反応抵抗Ｒ２の影響を除去したインピーダンスから高周波インピーダンスＺｈを減算することで、セル１０内の酸素の濃度変化に応じて変化する特定インピーダンスＺ´を算出する。
【０１２１】
ここで、図１３は、燃料電池１の負荷が変動した場合のＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図であり、図１３の（ａ）が内部インピーダンスＺから反応抵抗Ｒ２の影響を除去する前のＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図を示し、図１３の（ｂ）が内部インピーダンスＺから反応抵抗Ｒ２の影響を除去した後のＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図を示している。
【０１２２】
図１３（ａ）に示すように、内部インピーダンスＺから反応抵抗Ｒ２の影響を除去する前は、燃料電池１の負荷に応じて、特定インピーダンスＺ´の位相角θが変動する。これに対して、図１３（ｂ）に示すように、内部インピーダンスＺから反応抵抗Ｒ２の影響を除去した後は、燃料電池１の負荷によらず、特定インピーダンスＺ´の位相角θが略一定となる。
【０１２３】
以上説明した本実施形態によれば、内部インピーダンスＺから燃料電池１の負荷変動によって変動する反応抵抗（Ｒ２）を除去するので、燃料電池（１）の負荷変動によって特定インピーダンス（Ｚ´）の位相角（θ）が変動してしまうことを抑制することができる。この結果、酸化剤ガスのガス濃度をより適切に測定することが可能となる。
【０１２４】
ところで、燃料電池１は、発電を繰り返すことで電極１０１ｂ、１０１ｃ内の触媒が経時劣化することで、徐々に内部インピーダンスＺが増大することがあるが、当該触媒の経時劣化は、反応抵抗Ｒ２に相関関係を有することがわかっている。
【０１２５】
そこで、本実施形態では、反応抵抗Ｒ２を算出する度に当該反応抵抗Ｒ２の抵抗値を記憶し、記憶した反応抵抗Ｒ２の変化（出力電圧の変化）によって燃料電池１の電極１０１ｂ、１０１ｃにおける触媒の劣化度合いを判定する。これにより、当該触媒の劣化度合いの判定に応じて、内部インピーダンスＺに当該触媒の劣化による酸素濃度の測定精度への影響を抑制することが可能となる。
【０１２６】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施例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、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。
【０１２７】
（１）上述の各実施形態では、特定インピーダンスＺ´の位相角θから酸素濃度を算出する際に、制御特性（制御マップ）を参照しているが、これに限らず、特定インピーダンスＺ´の位相角θとセル１０の空気出口部における酸素濃度との相関関係を規定する数式を導出し、導出した数式を用いて酸素濃度を算出するようにしてもよい。
【０１２８】
（２）上述の各実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ３にて燃料電池１の出力信号に交流信号を印加する交流信号印加手段を構成しているが、これに限らず、ＤＣ−ＤＣコンバータ３とは別体の発振回路等にて交流信号印加手段を構成してもよい。
【０１２９】
（３）上述の各実施形態では、測定周波数ｆｍとして、予め基準ガス濃度とした条件で、印加する周波数を高周波から低周波まで変化させた際に、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット図における半円状の軌跡の頂部に達したときの周波数を設定する構成としているが、これに限定されない。測定周波数ｆｍとしては、印加した際に特定インピーダンスＺ´の位相角θが酸素濃度の変化によって変動する周波数であれば任意の周波数に設定してもよい。
【０１３０】
（４）上述の各実施形態では、燃料電池システムの制御装置６０とガス濃度測定装置５０の演算装置５４を別体で構成したが、制御装置６０に演算装置５４としての機能を追加することで、制御装置６０と演算装置５４とを一体化してもよい。
【０１３１】
（５）上述の第２実施形態で説明した燃料電池１の負荷変動に応じて特定インピーダンスＺ´の位相角θの補正と、第３実施形態で説明した燃料電池１の温度に応じて特定インピーダンスＺ´の位相角θの補正とを組み合わせてもよい。例えば、燃料電池１の負荷変動が大きい場合に、第２実施形態で説明した特定インピーダンスＺ´の位相角θの補正を行い、燃料電池１の負荷変動が小さい場合に、第３実施形態で説明した特定インピーダンスＺ´の位相角θの補正を行うといったように、優先順位をつけることで、組み合わせることができる。
【０１３２】
（６）上述の第２、第３実施形態では、燃料電池１の負荷変動および燃料電池１の温度に応じて特定インピーダンスＺ´の位相角θを補正する構成としている。これらとは別に、燃料電池１は、発電を繰り返すことで電極１０１ｂ、１０１ｃ内の触媒が経時的に劣化して、徐々に特定インピーダンスＺ´が増大してしまうことがある。このため、燃料電池１の電極１０１ｂ、１０１ｃ内の触媒が経時的に劣化の影響でガス濃度測定装置５０の測定精度が低くなる可能性がある。
【０１３３】
そこで、セル１０内の酸素濃度、燃料電池１の負荷、温度等を予め設定した基準値とした条件で、燃料電池１の電極１０１ｂ、１０１ｃ内の触媒の経時劣化による特定インピーダンスＺ´の位相角θと、触媒が経時劣化する前の特定インピーダンスＺ´の位相角θとの変化量Δθを算出し、当該変化量Δθに基づいて、燃料電池１の電極１０１ｂ、１０１ｃ内の触媒の経時劣化による酸素濃度の測定精度への影響を抑制する構成としてもよい。
【０１３４】
（７）上記各実施形態では、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、これに限定されず、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用してもよい。
【符号の説明】
【０１３５】
１      燃料電池
３      ＤＣ−ＤＣコンバータ（交流信号印加手段）
１０    セル（電池セル）
４６    温度センサ（温度検出手段）
５０    ガス濃度測定装置
５１    電流測定装置（電流検出手段）
５２    電圧センサ（電圧検出手段）
５３    信号処理回路（インピーダンス算出手段）
５３ａ  負荷検出手段
５４    演算装置
５４ａ  特定インピーダンス算出手段
５４ｂ  位相角算出手段
５４ｃ  ガス濃度算出手段
５４ｄ  記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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