(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を有する燃料電池システムにおけるアノードガス循環流路内のアノードガス温度、前記アノードガス循環流路内に設けられる循環ポンプの入口と出口の差圧、及び前記循環ポンプの回転数を取得し、
前記差圧からアノードガス循環流路の圧力損失特性及び前記循環ポンプの圧力−流量特性に基づいて前記アノードガス循環流路内のガス密度を推定し、
前記燃料電池内の相対湿度を推定し、
前記アノードガス温度、前記差圧、及び前記ガス密度に基づき、前記相対湿度を用いて前記アノードガス循環流路内の水素濃度を演算する燃料電池の水素濃度推定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の水素濃度推定方法であって、
前記燃料電池の内部インピーダンスを計測し、
前記内部インピーダンスに基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定方法。
【請求項３】
請求項２に記載の水素濃度推定方法であって、
前記内部インピーダンスを、ＨＦＲ取得用の周波数帯の周波数を用いて計測する水素濃度推定方法。
【請求項４】
請求項２に記載の水素濃度推定方法であって、
前記内部インピーダンスから前記燃料電池の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗を算出し、
前記アイオノマ抵抗に基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定方法。
【請求項５】
請求項２に記載の水素濃度推定方法であって、
前記内部インピーダンスから前記燃料電池の電気二重層容量値を算出し、
前記電気二重層容量値に基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の水素濃度推定方法であって、
前記燃料電池内に液水が存在するか否かを判断し、
前記燃料電池内に液水が存在すると判断した場合、所定の液水存在時処理を行う水素濃度推定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の水素濃度推定方法であって、
前記液水存在時処理が、
前記循環ポンプの回転数を増加させた高回転運転を行う高回転運転ステップと、
前記高回転運転時における前記水素濃度の演算を行う高回転運転時演算ステップと、
前記循環ポンプにおける前記差圧の変動が所定値未満となった後に、前記循環ポンプの回転数を減少させて通常回転運転を行う通常回転運転ステップと、
前記通常回転運転時における前記水素濃度の演算を行う通常回転運転時演算ステップと、
前記高回転運転における前記水素濃度の演算値と前記通常回転運転における前記水素濃度の演算値が所定時間の間実質的に相互に一致するか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップで一致すると判定された場合には、前記通常回転運転における前記水素濃度の演算値又は前記高回転運転における前記水素濃度の演算値を、現在の水素濃度の推定値として設定する一致判定処理ステップと、
前記判定ステップで一致しないと判定された場合には、再度、前記高回転運転時演算ステップ、前記通常回転運転ステップ、前記通常回転運転時演算ステップ、及び前記判定ステップを行う不一致判定処理ステップと、
を含む水素濃度推定方法。
【請求項８】
請求項２〜請求項７の何れか１項に記載の燃料電池の水素濃度推定方法において、
前記燃料電池が積層電池として構成され、
前記積層電池に交流電流を出力し、
前記積層電池の正極側の電位から該積層電池の中途部分の電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差と、前記積層電池の負極側の電位から前記中途部分の電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差と、に基づいて前記交流電流を調整し、
前記調整された前記交流電流、前記正極側交流電位差、及び前記負極側交流電位差に基づいて前記積層電池の前記内部インピーダンスを演算する燃料電池の水素濃度推定方法。
【請求項９】
燃料電池を有する燃料電池システムにおけるアノードガス循環流路内のアノードガス温度を取得する温度取得装置と、
前記アノードガス循環流路内に設けられる循環ポンプの入口と出口の差圧を取得する差圧取得装置と、
前記循環ポンプの回転数を取得する回転数取得装置と、
アノードガス循環流路の圧力損失特性を記憶する圧力損失特性記憶装置と、
循環ポンプの圧力−流量特性を記憶する圧力−流量特性記憶装置と、
前記差圧からアノードガス循環流路の圧力損失特性及び前記循環ポンプの圧力−流量特性に基づいて前記アノードガス循環流路内のガス密度を推定するガス密度推定装置と、
前記燃料電池の相対湿度を推定する相対湿度推定装置と、
前記アノードガス温度、前記差圧、及び前記ガス密度に基づき、前記相対湿度を用いて前記アノードガス循環流路内の水素濃度を演算する水素濃度演算装置と、
を有する燃料電池の水素濃度推定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の水素濃度推定装置であって、
前記燃料電池の内部インピーダンスを計測するインピーダンス計測装置をさらに有し、
前記相対湿度推定装置は、前記内部インピーダンスに基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の水素濃度推定装置であって、
前記インピーダンス計測装置は、
前記内部インピーダンスを、ＨＦＲ取得用の周波数帯の周波数を用いて計測する水素濃度推定装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の水素濃度推定装置であって、
前記内部インピーダンスから前記燃料電池の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗を算出するアイオノマ抵抗算出装置をさらに有し、
前記相対湿度推定装置は、前記アイオノマ抵抗に基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載の水素濃度推定装置であって、
前記内部インピーダンスから前記燃料電池の電気二重層容量値を算出する電気二重層容量値装置をさらに有し、
前記相対湿度推定装置は、前記電気二重層容量値に基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定装置。
【請求項１４】
請求項９〜請求項１３の何れか１項に記載の水素濃度推定装置であって、
前記燃料電池内に液水が存在するか否かを判断する液水存在判断装置と、
前記燃料電池内に液水が存在すると判断した場合、所定の液水存在時処理を行う液水存在時処理装置と、
を有する水素濃度推定装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の水素濃度推定装置であって、
前記液水存在判断装置が、
前記循環ポンプの回転数を増加させた高回転運転を実行する高回転運転実行部と、
前記高回転運転時における前記水素濃度の演算を実行する高回転運転時演算実行部と、
前記循環ポンプにおける前記差圧の変動が所定値未満となった後に、前記循環ポンプの回転数を減少させて通常回転運転を実行する通常回転運転実行部と、
前記通常回転運転時における前記水素濃度の演算を実行する通常回転運転時演算実行部と、
前記高回転運転における前記水素濃度の演算値と前記通常回転運転における前記水素濃度の演算値が所定時間の間実質的に相互に一致するか否かを判定する判定部と、
前記判定ステップで一致すると判定された場合には、前記通常回転運転における前記水素濃度の演算値又は前記高回転運転における前記水素濃度の演算値を、現在の水素濃度の推定値として設定する一致判定処理部と、
前記判定ステップで一致しないと判定された場合には、再度、前記高回転運転時演算ステップ、前記通常回転運転ステップ、前記通常回転運転時演算ステップ、及び前記判定ステップを行う不一致判定処理部と、
を有する水素濃度推定装置。
【請求項１６】
請求項９〜請求項１５の何れか１項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置において、
前記燃料電池が積層電池として構成され、
前記インピーダンス計測装置は、
前記積層電池に交流電流を出力し、
前記積層電池の正極側の電位から該積層電池の中途部分の電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差と、前記積層電池の負極側の電位から前記中途部分の電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差と、に基づいて前記交流電流を調整し、
前記調整された前記交流電流、前記正極側交流電位差、及び前記負極側交流電位差に基づいて前記積層電池の前記内部インピーダンスを演算する水素濃度推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の水素濃度推定方法及び水素濃度推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるアノード循環型の燃料電池システムでは、低水素濃度の排気ガスを外部に排出するために、アノードガス循環流路内の水素濃度を検出する必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、アノード循環型の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１におけるアノードガス循環流路の圧力損失特性、循環ポンプの入口と出口の差圧、及び循環ポンプの回転数から、循環ポンプの圧力−流量特性に基づいてアノードガス循環流路内の水素濃度を推定する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１００４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１では、水素濃度の推定値を算出するにあたり、アノードガス循環流路内における水蒸気の含有率（水蒸気分率）が飽和水蒸気分率であることを仮定している。したがって、現実の水蒸気分率が仮定した値からずれると、水素濃度の推定精度が低下する懸念がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より高精度にアノードガス循環流路内の水素濃度を推定し得る水素濃度推定方法及び水素濃度推定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様によれば、燃料電池を有する燃料電池システムにおけるアノードガス循環流路内のアノードガス温度、アノードガス循環流路内に設けられる循環ポンプの入口と出口の差圧、及び循環ポンプの回転数を取得し、差圧からアノードガス循環流路の圧力損失特性及び循環ポンプの圧力−流量特性に基づいてアノードガス循環流路内のガス密度を推定し、燃料電池内の相対湿度を推定する燃料電池の水素濃度推定方法が提供される。そして、この燃料電池の水素濃度推定方法では、アノードガス温度、差圧、及びガス密度に基づき、相対湿度を用いて水素濃度を演算する。
【０００８】
また、本発明のある態様によれば、燃料電池を有する燃料電池システムにおけるアノードガス循環流路内のアノードガス温度を取得する温度取得装置と、アノードガス循環流路内に設けられる循環ポンプの入口と出口の差圧を取得する差圧取得装置と、循環ポンプの回転数を取得する回転数取得装置と、アノードガス循環流路の圧力損失特性を記憶する圧力損失特性記憶装置と、循環ポンプの圧力−流量特性を記憶する圧力−流量特性記憶装置と、差圧からアノードガス循環流路の圧力損失特性及び循環ポンプの圧力−流量特性に基づいてアノードガス循環流路内のガス密度を推定するガス密度推定装置と、を有する燃料電池の水素濃度推定装置が提供される。さらに、この水素濃度推定装置は、燃料電池の相対湿度を推定する相対湿度推定装置と、アノードガス温度、差圧、及びガス密度に基づき、相対湿度を用いて水素濃度を演算する水素濃度演算装置と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、アノードガス循環流路内のアノードガス温度、循環ポンプの差圧、循環ポンプの回転数、圧力損失特性及び循環ポンプの圧力−流量特性から定まるガス密度に基づいて水素濃度を推定するにあたり、燃料電池内の相対湿度を用いる。したがって、水素濃度の推定において、アノードガス循環流路内における水蒸気の含有率（水蒸気分率）を飽和水蒸気分率と仮定する粗い近似を行うことなく、燃料電池内の実際の湿度の影響を考慮してより現実の挙動に合致した推定を行うことができるので、より高精度な水素濃度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は、コントローラの構成を説明するブロック図である。
【図３】図３は、圧力損失特性マップを示す。
【図４】図４は、ポンプ性能マップを示す。
【図５】図５は、水素濃度の推定の流れを説明するフローチャートを示す。
【図６】図６は、圧力損失特性マップとポンプ性能マップを重ね合わせたグラフを示す。
【図７】図７は、圧力損失特性とポンプ性能特性のバランスが取れる点におけるガス密度とポンプ差圧の関係を示すグラフを示す。
【図８】図８は、ＨＦＲ値を相対湿度の関係を表すマップを示す。
【図９】図９は、一実施形態による燃料電池スタックの内部インピーダンスのナイキスト線図である。
【図１０】図１０は、燃料電池スタックの等価回路の一例を示す。
【図１１】図１１は、アイオノマ抵抗値−相対湿度マップを示す。
【図１２】図１２は、一実施形態による燃料電池スタックの電気二重層容量値を算出する流れを示すフローチャートである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、燃料電池スタックの等価回路の一例を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、燃料電池スタックの等価回路の一例を示す図である。
【図１４】図１４は、相対湿度と電気二重層容量値の関係を表すマップを示す。
【図１５】図１５は、一実施形態による水素濃度の推定の流れを説明するフローチャートを示す。
【図１６】図１６は、燃料電池スタック内に液水が存在する場合におけるポンプ差圧の変動を概略的に表すグラフを示す。
【図１７】図１７は、一実施形態による液水存在時処理の流れを説明するフローチャートを示す。
【図１８】図１８は、一実施形態に係るインピーダンス計測装置の構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
【００１３】
本実施形態において、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス循環装置３と、インピーダンス計測装置５と、コントローラ６と、を備える。なお、本実施形態では、図面の簡略化のため、アノードガスの排出系統、カソードガスの給排系統、モータ等に電力を供給するための電力システム、及び燃料電池スタック１の冷却装置等の他の要素について図示を省略する。
【００１４】
燃料電池スタック１は、２枚以上の燃料電池セル（単位セル）を積層してなる積層電池である。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す出力端子として、アノード極側端子１Ａと、カソード極側端子１Ｂと、を有している。
【００１５】
アノードガス循環装置３は、燃料電池スタック１にアノードガス（水素ガス）を供給して循環させる。アノードガス循環装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、エゼクタ３４と、アノードガス循環流路３５と、ポンプ入口側圧力センサ３６と、循環ポンプ３７と、ポンプ出口側圧力センサ３８と、温度センサ３９と、を備える。
【００１６】
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する容器である。
【００１７】
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給する通路である。アノードガス供給通路３２の一端は高圧タンク３１に接続され、他端はエゼクタ３４に接続される。
【００１８】
アノード調圧弁３３は、高圧タンク３１よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を調整する。
【００１９】
エゼクタ３４は、アノードガス供給通路３２とアノードガス循環流路３５の連結部に設けられる。エゼクタ３４は、高圧タンク３１からのアノードガス、及び燃料電池スタック１のアノード極から排出されるアノードガスをアノードガス循環流路３５で再循環させる。
【００２０】
アノードガス循環流路３５は、燃料電池スタック１のアノード極入口とアノード極出口の間でアノードガスを循環させる通路である。なお、後述する水素濃度の推定方法によりアノードガス循環流路３５内の水素濃度が一定値以下となることが検出されると、図示しないパージ弁を開弁して水素濃度の低下したオフガスがカソード排出通路等に排出される。
【００２１】
ポンプ入口側圧力センサ３６は、アノードガス循環流路３５における燃料電池スタック１のアノードガス出口と循環ポンプ３７との間の圧力（以下では、「ポンプ入口側圧力Ｐ１」とも記載する）を検出するセンサである。
【００２２】
循環ポンプ３７は、アノードガス循環流路３５内でアノードガスを循環させる動力源として機能する。また、循環ポンプ３７には、その回転数Ｎを検出する回転数センサ３７ａが設けられている。
【００２３】
ポンプ出口側圧力センサ３８は、アノードガス循環流路３５における循環ポンプ３７とエゼクタ３４との間の圧力を検出するセンサである。
【００２４】
温度センサ３９は、エゼクタ３４と燃料電池スタック１の間に設けられ、燃料電池スタック１のアノード入口のガス温度（以下では、「循環アノードガス温度Ｔ」とも記載する）を検出するセンサである。
【００２５】
インピーダンス計測装置５は、燃料電池スタック１の出力電圧及び出力電流に基づいて燃料電池スタック１の内部インピーダンスを計測する装置である。具体的に、インピーダンス計測装置５は、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧が所定周波数を有する交流信号を含むように燃料電池スタック１の出力を制御し、この時検出される出力電圧値及び出力電流値に基づいて内部インピーダンスＺを算出する。さらに、インピーダンス計測装置５は、計測した内部インピーダンスＺをコントローラ６に出力する。
【００２６】
コントローラ６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６には、ポンプ入口側圧力センサ３６、回転数センサ３７ａ、ポンプ出口側圧力センサ３８、及び温度センサ３９からの検出信号の他、図示しない電流センサや電圧センサ等の各種センサからの信号、及び図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ等のセンサからの信号が入力される。
【００２７】
また、コントローラ６は、アノードガス循環流路３５を流れる水素濃度に応じて、アノード調圧弁３３の開度を制御し、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力や流量を調整する。
【００２８】
図２は、本実施形態に係るコントローラ６の構成を説明するブロック図である。図示のように、コントローラ６は、上記ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＩ／Ｏインタフェースで構成された温度取得装置４０と、差圧取得装置４１と、回転数取得装置４２と、圧力損失特性記憶装置及び圧力−流量特性記憶装置としてのデータ記憶部４３と、ガス密度推定装置４４と、相対湿度推定装置４５と、水素濃度演算装置４６と、を備えている。
【００２９】
温度取得装置４０は、温度センサ３９で検出したアノードガス温度Ｔを当該温度センサ３９から受信して取得する。
【００３０】
差圧取得装置４１は、ポンプ入口側圧力センサ３６で検出されたポンプ入口側圧力Ｐ１、及びポンプ出口側圧力センサ３８で検出されたポンプ出口側圧力Ｐ２を受信するとともに、これら値に基づき、差圧ΔＰ（Ｐ２−Ｐ１）を取得する。
【００３１】
回転数取得装置４２は、回転数センサ３７ａで検出された循環ポンプ３７の回転数Ｎを受信し、取得する。
【００３２】
データ記憶部４３は、アノードガス循環流路３５内のガス密度ρの推定に用いる圧力損失特性マップＭ１と、ポンプ性能マップＭ２と、を記憶している。
【００３３】
図３は、圧力損失特性マップＭ１を示している。図示のように、この圧力損失特性マップＭ１は、アノードガス循環流路３５の圧力損失特性として、アノードガス循環流路３５内の循環流量Ｑｓとアノードガス循環流路３５内の圧力損失との関係をガス密度毎に示したマップである。
【００３４】
図４は、ポンプ性能マップＭ２を示している。図示のように、このポンプ性能マップＭ２は、ポンプ回転数Ｎに応じたポンプ性能特性として、アノードガス循環流路３５内の循環流量Ｑｓと循環ポンプ３７の圧力差ΔＰ（以下では、「ポンプ差圧ΔＰ」とも記載する）との関係をガス密度ρ毎に示したマップである。
【００３５】
ガス密度推定装置４４は、循環ポンプ３７の回転数Ｎ、アノードガス循環流路３５内の循環流量Ｑｓ、及びポンプ差圧ΔＰから、上述の圧力損失特性マップＭ１及びポンプ性能マップＭ２に基づいて、アノードガス循環流路３５のガス密度ρを推定する。
【００３６】
相対湿度推定装置４５は、インピーダンス計測装置５で計測された内部インピーダンスＺから、所定のインピーダンス−相対湿度マップに基づいて、燃料電池スタック１の内部の相対湿度ＲＨを推定する。
【００３７】
水素濃度演算装置４６は、循環アノードガス温度Ｔ、差圧ΔＰ、ガス密度ρ、及び相対湿度ＲＨに基づいて、アノードガス循環流路３５内の水素濃度ＣＲＨを求める。ここで、「アノードガス内の水素濃度ＣＲＨ」とは、アノードガス循環流路３５内においてアノードガスの中に含まれている水素のみの流量を、アノードガス全体の循環流量Ｑｓで除した値を意味する。
【００３８】
図５は、本実施形態による水素濃度の推定の流れを説明するフローチャートである。
【００３９】
ステップＳ１０において、コントローラ６の温度取得装置４０が、アノードガス温度Ｔを取得し、差圧取得装置４１が差圧ΔＰを取得し、回転数取得装置４２が回転数Ｎを取得する。
【００４０】
ステップＳ２０において、ガス密度推定装置４４は、圧力損失特性マップＭ１、ポンプ性能マップＭ２、及び算出されたポンプ差圧ΔＰに基づいてガス密度ρを推定する。このガス密度ρの推定の詳細について説明する。
【００４１】
図６は、圧力損失特性マップＭ１とポンプ性能マップＭ２を重ね合わせたグラフの概略を示している。なお、図６においては、図面の簡略化のため、ガス密度ρの値として３つの値ρ１〜ρ３の値をとる場合の曲線のみを示している。また、ポンプ性能マップＭ２についても、図面の簡略化のため、ポンプ回転数Ｎは固定値と仮定して示している。
【００４２】
図６において、圧力損失特性マップＭ１の曲線（ポンプ差圧ΔＰが大きくなるほど流量が大きくなる曲線）とポンプ性能マップＭ２の曲線（ポンプ差圧ΔＰが大きくなるほど流量が小さくなる曲線）との交点は、両特性のバランスが取れる現実の特性を表している。したがって、現実にとり得る特性は、両マップＭ１とＭ２の交点Ｉ１、Ｉ２、及びＩ３を結ぶ曲線Ｒとなる。
【００４３】
図７は、上述した圧力損失特性とポンプ性能特性のバランスが取れる特性におけるガス密度ρとポンプ差圧ΔＰの関係を示すグラフである。当該グラフは、上述した両特性のバランスが取れている交点Ｉ１、Ｉ２、及びＩ３のそれぞれにおけるポンプ差圧ΔＰとガス密度ρの値を、平面上にプロットし、これら各プロットから得られた直線である。したがって、この直線を用いることで、ポンプ差圧ΔＰの検出値から現実の特性に適合したガス密度ρを推定することができる。
【００４４】
図５に戻り、ステップＳ３０において、相対湿度推定装置４５は、インピーダンス計測装置５で計測された内部インピーダンスＺに基づく高周波数インピーダンス（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）から、ＨＦＲ−相対湿度マップに基づいて、燃料電池スタック１の内部の相対湿度ＲＨを推定する。
【００４５】
具体的に、インピーダンス計測装置５は、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧に数ｋＨｚ以上の十分に大きな周波数ωＨの交流信号を含むように、燃料電池スタック１の出力電流を制御する図示しないＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、検出される出力電流値及び出力電圧値に基づいて内部インピーダンスＺ（ωＨ）をＨＦＲ値として算出する。このＨＦＲ値は、燃料電池スタック１の電解質膜の抵抗値にほぼ相当する。そして、インピーダンス計測装置５は、このＨＦＲ値をコントローラ６の相対湿度推定装置４５に送信する。
【００４６】
図８は、ＨＦＲ値と燃料電池スタック１の内部の相対湿度ＲＨの関係を示すＨＦＲ値−相対湿度マップである。図示のように、ＨＦＲ値と相対湿度ＲＨは、ＨＦＲ値が増加するほど相対湿度ＲＨが減少し、ＨＦＲ値が定まれば相対湿度ＲＨが一意に定まる関係にある。したがって、相対湿度推定装置４５は、算出されたＨＦＲ値からこのＨＦＲ−相対湿度マップに基づき、相対湿度ＲＨを算出する。
【００４７】
図５に戻り、ステップＳ４０において、水素濃度演算装置４６は、循環アノードガス温度Ｔ、ポンプ入口側圧力Ｐ１、上記ステップＳ２０において推定されたガス密度ρ、及びステップＳ３０で推定された相対湿度ＲＨに基づいて、アノードガス循環流路３５内の水素濃度ＣＲＨを演算する。この水素濃度ＣＲＨを演算する方法の詳細を説明する。
【００４８】
水素濃度演算装置４６は、下記の式（１）に基づいて水素分率としての水素濃度ＣＲＨを演算する。
【００４９】
【数１】
0006620510.tif 000002
【００５０】
ここで、式中、ａ、ｂ、及びｃは、それぞれ、アノードガス循環流路３５内のアノードガスにおける水素分率（水素濃度）、窒素分率、及び水蒸気分率を意味する。水素分率ａ、窒素分率ｂ、及び水蒸気分率ｃとは、それぞれ、アノードガス循環流路３５内のアノードガス全体に対して水素成分、窒素成分、及び水蒸気成分が占める割合である。なお、本実施形態では、アノードガスの主成分は、水素、窒素、及び水蒸気で実質的に占められているとみなせるので、式（３）で示すように、これらの合計は１となる。
【００５１】
さらに、式（１）において、ＭＨ２、ＭＮ２、及びＭＨ２Ｏは、それぞれ、水素分子の分子量、窒素分子の分子量、及び水の分子量を意味する。また、「Ｔ」は、上述の循環アノードガス温度Ｔを意味する。また、「ＴＮ」は標準状態における温度を意味し、その値は例えば２７３［Ｋ］である。さらに、「Ｐ」は、上述のポンプ入口側圧力Ｐ１を意味する。また、「ＰＮ」は標準状態における圧力を意味し、その値は例えば１．０×１０5［ｐａ］である。
【００５２】
したがって、ＭＨ２、ＭＮ２、ＭＨ２Ｏ、ＴＮ、及びＰＮは既知の値である。また、循環アノードガス温度Ｔは、温度センサ３９による検出値であり、ポンプ入口側圧力Ｐ１は、ポンプ入口側圧力センサ３６による検出値である。さらに、ガス密度ρは上記ステップＳ２０において推定された値である。したがって、上記式（１）において、未知数は水素分率ａ、窒素分率ｂ、及び水蒸気分率ｃのみである。また、上記式（３）を考慮すると、窒素分率ｂ及び水蒸気分率ｃの何れか一方が定まれば、水素分率ａを求めることができる。
【００５３】
そして、本実施形態では、水蒸気分率ｃを上記式（２）に基づいて演算する。式（２）中のＰｓａｔは、飽和水蒸気圧を意味する。この飽和水蒸気圧Ｐｓａｔについては、循環アノードガス温度Ｔの値に応じて一意に求めることができる。したがって、水蒸気分率ｃは、飽和水蒸気圧Ｐｓａｔ、ポンプ入口側圧力Ｐ１、及びステップＳ３０で推定された相対湿度ＲＨから算出される。特に、本実施形態では、式（２）から明確に理解されるように、飽和水蒸気圧Ｐｓａｔに対して相対湿度ＲＨが乗算されることで、水蒸気分率ｃに対して現実の燃料電池スタック１内の湿度が確実に反映されている。したがって、水蒸気分率ｃを高精度に算出することができる。
【００５４】
したがって、本実施形態では、式（１）〜式（３）に基づき、水素分率ａ、すなわち水素濃度ＣＲＨを演算することができる。
【００５５】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【００５６】
本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、燃料電池として燃料電池スタック１を有する燃料電池システム１００におけるアノードガス循環流路３５内のアノードガス温度Ｔ、アノードガス循環流路３５内に設けられる循環ポンプ３７の入口と出口の差圧ΔＰ、及び循環ポンプ３７の回転数Ｎを取得し（図５のステップＳ１０）、差圧ΔＰからアノードガス循環流路３５の圧力損失特性Ｍ１及び循環ポンプの圧力−流量特性Ｍ２に基づいてアノードガス循環流路３５内のガス密度ρを推定する（図５のステップＳ２０）。さらに、この燃料電池の水素濃度推定方法では、燃料電池スタック１内の相対湿度ＲＨを推定し（図５のステップＳ３０）、アノードガス温度Ｔ、差圧ΔＰ、及びガス密度ρに基づき、相対湿度ＲＨを用いて水素濃度を演算する（図５のステップＳ４０）。
【００５７】
なお、本実施形態では、コントローラ６が、燃料電池スタック１を有する燃料電池システム１００におけるアノードガス循環流路３５内のアノードガス温度Ｔを取得する温度取得装置４０と、循環ポンプ３７の入口と出口の差圧ΔＰを取得する差圧取得装置４１と、循環ポンプ３７の回転数Ｎを取得する回転数取得装置４２と、アノードガス循環流路３５の圧力損失特性を記憶する圧力損失特性記憶装置Ｍ１と、循環ポンプ３７の圧力−流量特性を記憶する圧力−流量特性記憶装置Ｍ２と、差圧ΔＰからアノードガス循環流路３５の圧力損失特性Ｍ１及び前記循環ポンプの圧力−流量特性Ｍ２に基づいてアノードガス循環流路３５内のガス密度ρを推定するガス密度推定装置４４と、燃料電池スタック１の相対湿度ＲＨを推定する相対湿度推定装置４５と、アノードガス温度Ｔ、差圧ΔＰ、及びガス密度ρに基づき、相対湿度ＲＨを用いて水素濃度ＣＲＨを演算する水素濃度演算装置４６として機能する。
【００５８】
本実施形態によれば、アノードガス循環流路３５内のアノードガス温度Ｔ、循環ポンプ３７の差圧ΔＰ、循環ポンプ３７の回転数、圧力損失特性Ｍ１及び循環ポンプの圧力−流量特性Ｍ２から定まるガス密度ρに基づいて水素濃度を推定するにあたり、相対湿度ＲＨを用いる。したがって、水素濃度ＣＲＨの推定において、アノードガス循環流路３５内における水蒸気分率を飽和水蒸気分率と仮定する粗い近似を行うことなく、燃料電池スタック１内の実際の湿度の影響を考慮してより現実の挙動に合致した推定を行うことができるので、より高精度な水素濃度ＣＲＨを得ることができる。
【００５９】
また、本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、燃料電池の内部インピーダンスＺを計測し、内部インピーダンスＺに基づいて相対湿度ＲＨを求める。特に、本実施形態では、インピーダンス計測装置５が内部インピーダンスＺを計測し、相対湿度推定装置４５が内部インピーダンスＺに基づいて相対湿度ＲＨを求める（図５のステップＳ３０）。これにより、予め定められている内部インピーダンスＺと相対湿度ＲＨの関係を用いて、相対湿度ＲＨを容易に求めることができる。
【００６０】
特に、本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、内部インピーダンスＺは、ＨＦＲ取得用の高周波数帯の周波数ωＨを用いて計測した高周波数インピーダンス（ＨＦＲ値）である。すなわち、インピーダンス計測装置５は、内部インピーダンスＺを、ＨＦＲ取得用の周波数帯の周波数を用いて計測する。このように、燃料電池スタック１内の湿潤度と強く相関しているＨＦＲ値を相対湿度ＲＨの算出に用いることで、当該相対湿度ＲＨをより高精度に求めることができる。
【００６１】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００６２】
本実施形態では、上記図５のステップＳ３０において、相対湿度ＲＨを求めるにあたり、上記ＨＦＲ値に代えて、燃料電池スタック１を構成する燃料電池セルの触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗Ｒｉｏｎを用いる。以下では、アイオノマ抵抗Ｒｉｏｎの算出方法について説明する。
【００６３】
図９は、本実施形態にかかる燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺのナイキスト線図である。特に、図９では、所定の簡易等価回路に燃料電池スタック１の状態量（反応抵抗値及び電気二重層容量値）の計測値を当てはめて定まるインピーダンス曲線（等価回路インピーダンス曲線Ｃ１とも記載する）、及び予め所定条件の下で測定された内部インピーダンスの実測値に基づくインピーダンス曲線（実測インピーダンス曲線Ｃ２とも記載する）が示されている。
【００６４】
なお、図においては、等価回路インピーダンス曲線Ｃ１を破線、及び実測インピーダンス曲線Ｃ２を実線で示す。ここで、各インピーダンス曲線は、図面の簡略化のため一部分のみしか示していない。
【００６５】
図１０は、燃料電池スタック１の簡易等価回路の一例を示す。図示のように、簡易等価回路では、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗成分、電極（カソード極及びアノード極）における反応抵抗、及び電極の電気二重層容量成分が含まれている。当該簡易等価回路に基づいて得られる内部インピーダンスＺの式は、
【数２】
0006620510.tif 000003
となる。
【００６６】
ただし、ωは周波数、Ｒｍｅｍは電解質膜抵抗値、Ｒａｃｔは反応抵抗値、Ｃｄｌは電気二重層容量、及びｊは虚数単位を意味する。
【００６７】
ここで、内部インピーダンス計測装置５は、所定の低周波数帯に属する２つの周波数ω１、ω２において内部インピーダンスＺ（ω１）及びＺ（ω２）を計測する。そして、コントローラ６の相対湿度推定装置４５は、これらの周波数ω１、ω２及び内部インピーダンスＺ（ω１）及びＺ（ω２）を上記式（４）に適用して反応抵抗値Ｒａｃｔ及び電気二重層容量値Ｃｄｌを得る。
【００６８】
具体的には、反応抵抗値Ｒａｃｔ及び電気二重層容量値Ｃｄｌについては、上記２点の周波数ω１及びω２におけるインピーダンス計測値Ｚ（ω１）及びＺ（ω２）を式（４）に代入し、得られた式を実部と虚部に分離してなる４つの式から、電気二重層容量値Ｃｄｌ、反応抵抗Ｒａｃｔ、及び電解質膜抵抗値Ｒｍｅｍを求めることで得られる。
【００６９】
このように求めた反応抵抗値Ｒａｃｔ及び電気二重層容量値Ｃｄｌを式（４）に適用すると、図１０の破線に示す円弧状形状の等価回路インピーダンス曲線Ｃ１が得られる。
【００７０】
一方、実測インピーダンス曲線Ｃ２は、燃料電池スタック１に対し、複数の周波数においてインピーダンス計測を行い、得られた複数のインピーダンス計測値を複素平面上にプロットして描いた曲線である。なお、この実測インピーダンス曲線Ｃ２は、通常、多数の周波数における内部インピーダンスの計測値を必要とするため、燃料電池スタック１を車載した状態で作成することは難しい。したがって、この実測インピーダンス曲線Ｃ２としては、例えば燃料電池スタック１と同種の燃料電池スタックに対して予め実験的にインピーダンス計測を行うことで作成したデータを用いる。ここで、十分大きな周波数ωＨにおける内部インピーダンスの計測値（図では曲線Ｃ２と実軸との交点）がＨＦＲ値である。
【００７１】
実測インピーダンス曲線Ｃ２は、相対的に低周波数の円弧領域においては、上記等価回路インピーダンス曲線Ｃ１に略一致している。しかしながら、実測インピーダンス曲線Ｃ２は、相対的に高周波数の非円弧領域Ｌ１においては、直線状部分を形成しており、等価回路インピーダンス曲線Ｃ１からずれている。
【００７２】
このような非円弧領域Ｌ１が形成される理由として、上述のように簡易等価回路に基づいて設定された等価回路インピーダンス曲線Ｃ１では、燃料電池セルの厚さ方向における分布に基づくアイオノマ抵抗の影響が考慮されていないため、当該アイオノマ抵抗の影響に起因する誤差が高周波数の領域において大きくなったために生じたものである。
【００７３】
以上のことから、周波数ωを最も大きくした実軸上の部分において、等価回路インピーダンス曲線Ｃ１と実軸との交点の値である電解質膜抵抗値Ｒｍｅｍと実測インピーダンス曲線Ｃ２と実軸との交点の値であるＨＦＲ値との差をとることで、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎを求めることができる。このようにして求められたアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎは、バルク抵抗や接触抵抗等の電子輸送抵抗成分が含まれておらず、ＨＦＲ値と比較して燃料電池スタック１の相対湿度ＲＨに対する感度がより高くなる。すなわち、このアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎを相対湿度ＲＨの算出に用いることで、得られる相対湿度ＲＨがより高精度となる。
【００７４】
図１１には、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎと燃料電池スタック１の内部の相対湿度ＲＨの関係を示すアイオノマ抵抗値−相対湿度マップを表す。なお、このアイオノマ抵抗値−相対湿度マップは、予め相対湿度推定装置４５に記憶されている。図示のように、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎと相対湿度ＲＨは、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎが増加するほど相対湿度ＲＨが減少し、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎが定まれば相対湿度ＲＨが一意に定まる関係にある。したがって、相対湿度推定装置４５は、算出されたアイオノマ抵抗値ＲｉｏｎからこのＨＦＲ−相対湿度マップに基づき、相対湿度ＲＨを算出することができる。
【００７５】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【００７６】
本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、内部インピーダンスＺから燃料電池スタック１の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎを算出し、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎに基づいて相対湿度ＲＨを求める。すなわち、本実施形態では、コントローラ６の相対湿度推定装置４５が、インピーダンス計測装置により計測された内部インピーダンスＺから燃料電池スタック１の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗Ｒｉｏｎを算出するアイオノマ抵抗算出装置として機能し、さらに、コントローラ６の相対湿度推定装置が、アイオノマ抵抗Ｒｉｏｎに基づいて相対湿度ＲＨを求める。
【００７７】
このように、燃料電池スタック１の相対湿度ＲＨに対してより高い感度を持つアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎを用いて、当該相対湿度ＲＨを算出することで、より高精度の相対湿度ＲＨの推定値を得ることができる。したがって、この高精度の相対湿度ＲＨに基づいて算出される水素濃度ＣＲＨの精度もより向上されることとなる。
【００７８】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。
【００７９】
本実施形態では、上記図５のステップＳ３０において、相対湿度ＲＨを求めるにあたり、上記ＨＦＲ値に代えて、燃料電池スタック１の電気二重層容量値Ｃｄｌを用いる。以下では、電気二重層容量値Ｃｄｌの算出方法について説明する。
【００８０】
図１２は、カソード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ｃの算出の流れを示すフローチャートである。
【００８１】
ステップＳ３１において、コントローラ６は、図１３Ａに示す燃料電池スタック１の等価回路モデルを設定する。本実施形態では、この等価回路には、アノード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ａ及び電気二重層容量値Ｃｄｌ，ａ、カソード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ｃ及び電気二重層容量値Ｃｄｌ，ｃ、並びに電解質膜抵抗値Ｒｍｅｍが含まれている。
【００８２】
ここで、アノード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ａは、アノード極におけるアノードガスの反応に応じて増減し、例えばアノードガスが不足している等の当該反応の進行が円滑に行われない要因で反応抵抗値Ｒａｃｔ，ａは上昇する。したがって、アノード極に十分な量のアノードガスが供給されており、水素が不足していない状態では、アノード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ａの値は、カソード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ｃに比べて小さい。したがって、アノード極の反応抵抗成分は無視することができる。
【００８３】
さらに、アノード極の電気二重層容量値Ｃｄｌ，ａは、燃料電池スタック１においてアノード極が有する電気容量を表すようにモデル化したものである。従って、電気二重層容量値Ｃｄｌ，ａはアノード極を構成する材料や大きさ等の種々の要素に基づいて決定されることとなる。ここで、アノード極の電気二重層容量値Ｃｄｌ，ａは、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌ，ｃと比べて低周波数（数百Ｈｚ以下）に対する感度が低いことが知られている。特に、本実施形態において想定される上記特定周波数帯に属する周波数においては、電気二重層容量値Ｃｄｌ，ｃの内部インピーダンスの値に対する寄与は非常に小さい。したがって、アノード極の電気二重層容量成分は無視することができる。
【００８４】
このように、アノード極の反応抵抗成分及びアノード極の電気二重層容量成分を無視することができるので、燃料電池スタック１の等価回路モデルは、実質的に図１３Ｂに示すような、カソード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ｃ、電気二重層容量値Ｃｄｌ，ｃ、及び電解質膜抵抗値Ｒｍｅｍのみが含まれる回路とみなすことができる。
【００８５】
したがって、以下では符号の簡略化のため、カソード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ｃの符号を単に「Ｒａｃｔ」と記載し、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌ，ｃの符号を単に「Ｃｄｌ」と記載する。
【００８６】
図１２に戻り、ステップＳ３２において、コントローラ６の相対湿度推定装置４５は、図１３Ｂに示す等価回路に基づき、内部インピーダンスＺの式を設定する。したがって得られる内部インピーダンスＺの式は、上記式（４）と一致する。
【００８７】
ステップＳ３３において、相対湿度推定装置４５は、上記式（４）の虚部Ｚｉｍを抽出する。虚部Ｚｉｍは以下のとおりである。
【００８８】
【数３】
0006620510.tif 000004
【００８９】
ステップＳ３４において、相対湿度推定装置４５は、抽出した内部インピーダンスの虚部Ｚｉｍから、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌを演算する。具体的には、上記式（５）に対して、周波数ω１及びω２（数Ｈｚ〜数十Ｈｚ）、及びこれら周波数ω１及びω２に基づきインピーダンス計測装置５が計測した内部インピーダンスＺの虚部Ｚｉｍ（ω１）及びＺｉｍ（ω２）を代入し、未知数をＣｄｌ及びＲａｃｔをする２つの方程式を得てこれを解いて電気二重層容量値Ｃｄｌを求める。
【００９０】
特に、上記式（５）は、下記の式（６）のように変形することができる。
【００９１】
【数４】
0006620510.tif 000005
【００９２】
したがって、縦軸が−１／ωＺｉｍ、横軸が１／ω2である座標平面上において、２つの周波数ω１及びω２とインピーダンスの虚部Ｚｉｍ（ω１）及びＺｉｍ（ω２）をプロットして直線を描き、この直線の切片を求めれば、この切片がＣｄｌに等しくなる。これにより、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌを容易に算出することができる。
【００９３】
図１４には、燃料電池スタック１の相対湿度ＲＨとカソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌの関係を示す相対湿度−電気二重層容量値マップを表す。なお、この相対湿度−電気二重層容量値マップは、予め相対湿度推定装置４５に記憶されている。図示のように、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌと相対湿度ＲＨは、電気二重層容量値Ｃｄｌが増加するほど相対湿度ＲＨが増加し、電気二重層容量値Ｃｄｌが定まれば相対湿度ＲＨが一意に定まる関係にある。したがって、相対湿度推定装置４５は、算出された電気二重層容量値Ｃｄｌからこの電気二重層容量値−相対湿度マップに基づき、相対湿度ＲＨを算出する。特に、燃料電池スタック１の電極材料にケッチェンブラック等の非晶質炭素材料を用いると、電気二重層容量値Ｃｄｌと相対湿度ＲＨの相関がより明確に現れる。
【００９４】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【００９５】
本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、内部インピーダンスＺから燃料電池スタック１の電気二重層容量値Ｃｄｌを算出し、電気二重層容量値Ｃｄｌに基づいて前記相対湿度を求める。すなわち、本実施形態では、コントローラ６の相対湿度推定装置４５が、インピーダンス計測装置により計測された内部インピーダンスＺから燃料電池スタック１の電気二重層容量値Ｃｄｌを算出する電気二重層容量値装置として機能し、さらに、コントローラ６の相対湿度推定装置が、電気二重層容量値Ｃｄｌに基づいて相対湿度ＲＨを求める。
【００９６】
これにより、ＨＦＲ値やアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎ以外にも、燃料電池スタック１の相対湿度ＲＨを算出する方法を提供することができるので、燃料電池スタック１の運転条件等に応じて、ＨＦＲ値やアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎよりも電気二重層容量値Ｃｄｌを求めることが容易である状況下において、相対湿度ＲＨを求めることができる。
【００９７】
なお、本実施形態において、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌを用いて相対湿度ＲＨを求めたが、例えばアノード極の電気二重層容量値も考慮して、燃料電池スタック１全体の電気二重層容量と相対湿度ＲＨの関係から相対湿度ＲＨを求めるようにしても良い。
【００９８】
（第４実施形態）
以下、第４実施形態について説明する。本実施形態では、水素濃度ＣＲＨの推定にあたり、燃料電池スタック１内に液水が存在するかどうかを判定し、液水が存在する場合には上述の水素濃度ＣＲＨの演算を行わないようにする。燃料電池スタック１内に液水が一定以上存在する場合には、アノードガス循環流路３５の圧力損失特性が大きく変動するため、当該圧力損失特性は、上述の圧力損失特性マップＭ１にしたがわなくなる。したがって、この場合には推定される水素濃度ＣＲＨに大きな誤差が含まれる可能性があるので、水素濃度ＣＲＨの演算を行わず、水素濃度ＣＲＨとして他の推定値を用いる。
【００９９】
なお、以下では、「燃料電池スタック１内に液水が存在する」とは、アノードガス循環流路３５の圧力損失特性に変動を与える程度の量で燃料電池スタック１内に液水が存在することを意味し、当該圧力損失特性に影響を与えない程度の少量の液水が存在する場合は含まない。
【０１００】
図１５は、本実施形態による水素濃度の推定の流れを説明するフローチャートを示す。
【０１０１】
図示のように、ステップＳ５０において、図５のステップＳ１０と同様に、コントローラ６の温度取得装置４０が、アノードガス温度Ｔを取得し、差圧取得装置４１が差圧ΔＰを取得し、回転数取得装置４２が回転数Ｎを取得する。本実施形態では、特に、コントローラ６の差圧取得装置４１が、ポンプ入口側圧力センサ３６及びポンプ出口側圧力センサ３８からポンプ入口側圧力検出値及びポンプ出口側圧力検出値を所定時間ｄｔごとに取得して、当該所定時間ｄｔごとのポンプ差圧ΔＰを算出する。
【０１０２】
ステップＳ５１において、差圧取得装置４１は、所定時間ｄｔごとのポンプ差圧ΔＰの変動を算出する。具体的には、ある時刻ｔにおけるポンプ差圧ΔＰ（ｔ）と、時刻ｔ＋ｄｔにおけるポンプ差圧ΔＰ（ｔ＋ｄｔ）の差の絶対値｜ΔＰ（ｔ＋ｄｔ）−ΔＰ（ｔ）｜を差圧変動δＰとして算出する。
【０１０３】
ステップＳ５２において、コントローラ６は、差圧変動δＰが所定値よりも大きいか否かを判定する。差圧変動δＰが所定値よりも大きいと判定されると、ステップＳ５３に進み、コントローラ６は燃料電池スタック１内に液水が存在すると判断する。一方で、差圧変動δＰが所定値以下であると判定されると、ステップＳ５４に進み、コントローラ６は燃料電池スタック１内に液水が存在しないと判断する。
【０１０４】
図１６は、燃料電池スタック１内に液水が存在する場合におけるポンプ差圧ΔＰの変動を概略的に表すグラフを示している。図示のように、燃料電池スタック１内に液水が存在する場合には、ポンプ差圧ΔＰが大きく振動することとなる。したがって、この場合、差圧変動δＰの値も大きくなり、上記所定値より大きくなる。なお、この所定値は、燃料電池スタック１内に液水が存在しない状態では差圧変動δＰが到達し得ないと考えられる値として、予め実験等により定められる値である。
【０１０５】
図１５に戻り、ステップＳ５３において燃料電池スタック１内に液水が存在すると判断されると、ステップＳ５５において、コントローラ６により液水存在時処理として水素濃度ＣＲＨの推定値として前回の推定値が設定される。すなわち、燃料電池スタック１内に液水が存在する場合には、上述したアノードガス循環流路３５の圧力損失特性の変化により、図５のステップＳ４０における水素濃度ＣＲＨの演算の精度が保てないので、燃料電池スタック１内に液水が存在しない状態で推定された前回の水素濃度ＣＲＨを、水素濃度ＣＲＨの推定値として設定する。
【０１０６】
一方、ステップＳ５４のように燃料電池スタック１内に液水が存在しないと判断された場合には、ステップＳ５６において、図５のステップＳ４０と同様に水素濃度ＣＲＨの演算を行い、得られた値を水素濃度ＣＲＨの推定値とする。
【０１０７】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１０８】
本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、燃料電池スタック１内に液水が存在するか否かを判断し、燃料電池スタック１内に液水が存在すると判断した場合、液水存在時処理（図１５のステップＳ５５）を行う。すなわち、本実施形態では、コントローラ６が、燃料電池スタック１内に液水が存在するか否かを判断する液水存在判断装置と、燃料電池スタック１内に液水が存在すると判断した場合、所定の液水存在時処理を行う液水存在時処理装置として機能する。
【０１０９】
なお、ここで、「液水存在時処理」とは、本実施形態のように、水素濃度ＣＲＨとしてその前回推定値を設定する処理（図１５のステップＳ５５）の他にも、水素濃度ＣＲＨの演算を断念する処理や水素濃度ＣＲＨの予測値を水素濃度ＣＲＨの推定値として設定する処理等の任意の処理が含まれる。
【０１１０】
これにより、燃料電池スタック１内に液水が存在する場合において、アノードガス循環流路３５の圧力損失特性が大きく変動している状況下における水素濃度ＣＲＨの演算を行わないようにして、誤差が大きい水素濃度ＣＲＨの推定値を得ることが防止される。
【０１１１】
特に、本実施形態では、燃料電池スタック１内に液水が存在する場合においては、水素濃度ＣＲＨの推定値として、当該液水が存在しない状態で推定された水素濃度ＣＲＨを設定することで、燃料電池スタック１内に液水が存在する状況下でも水素濃度ＣＲＨの推定を継続することができる。
【０１１２】
（第５実施形態）
以下、第５実施形態について説明する。なお、第４実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１１３】
本実施形態では、上述した液水存在時処理として、循環ポンプ３７の回転数を上昇させることで燃料電池スタック１内及びアノードガス循環流路３５内の液水を飛ばす処理を行いその後、燃料電池スタック１内の水素濃度ＣＲＨの演算を行う。
【０１１４】
図１７は、本実施形態による液水存在時処理の流れを説明するフローチャートを示す。なお、本フローチャートに示される処理は、図１５に示すステップＳ５５の液水存在時処理の一態様であるから、ステップＳ５０〜ステップＳ５３の処理が行われていることが前提である。
【０１１５】
図示のように、ステップＳ６０において、コントローラ６は、循環ポンプ３７の回転数を上昇させて、循環ポンプ３７を「高回転運転」にする。ここで、循環ポンプ３７を高回転とすることで、燃料電池スタック１内及びアノードガス循環流路３５内の液水を飛ばして、それらの水分含有量を低下させる。なお、以下では、この循環ポンプ３７の回転数を上昇させた「高回転運転」に対して、循環ポンプ３７の回転数を上昇させる前の回転数による運転を「通常回転運転」と称する。
【０１１６】
ステップＳ６１において、コントローラ６は、上記高回転運転状態で水素濃度ＣＲＨを計算する。具体的には、コントローラ６は、上記図５のステップＳ４０で説明した方法と同様の方法で水素濃度ＣＲＨを計算する。以下では、計算された水素濃度ＣＲＨを「高回転時水素濃度ＣＲＨ１」とも記載する。
【０１１７】
ステップＳ６２において、コントローラ６は、差圧変動δＰが所定値よりも小さいか否かを判定する。なお、差圧変動δＰは上記図１５のステップＳ５１で説明した方法と同様の方法で算出する。また、所定値は、燃料電池スタック１内に液水が存在しない状態では差圧変動δＰが到達し得ないと考えられる値として、予め実験等により定められる値である。
【０１１８】
差圧変動δＰが所定値以上であると判定されると、循環ポンプ３７の高回転運転が維持される。一方で、差圧変動δＰが所定値より小さいと判定されると、ステップＳ６３に進む。
【０１１９】
ステップＳ６３において、コントローラ６は、循環ポンプ３７の回転数を減少させて通常回転運転に戻す。
【０１２０】
ステップＳ６４において、コントローラ６は、上記通常回転運転状態で水素濃度ＣＲＨを計算する。具体的には、コントローラ６は、上記図５のステップＳ４０で説明した方法と同様の方法で水素濃度ＣＲＨを計算する。以下では、通常回転運転状態で計算された水素濃度ＣＲＨを「通常回転水素濃度ＣＲＨ２」とも記載する。
【０１２１】
ステップＳ６５において、コントローラ６は、高回転時水素濃度ＣＲＨ１−通常回転水素濃度ＣＲＨ２が所定値と比較して小さいか否かを判定する。この所定値は、高回転時水素濃度ＣＲＨ１と通常回転水素濃度ＣＲＨ２が計測誤差等の要素を考慮して実質的に同一であるかどうかの観点から定められるものであり、比較的ゼロに近い値である。
【０１２２】
したがって、高回転時水素濃度ＣＲＨ１−通常回転水素濃度ＣＲＨ２が所定値以上であると判定されると、燃料電池スタック１内及びアノードガス循環流路３５内にまだ、アノードガス循環流路３５の圧力損失特性に影響を与える程度の液水が残っているものとして、ステップＳ６０に戻り、再び循環ポンプ３７が高回転運転とされる。
【０１２３】
一方で、高回転時水素濃度ＣＲＨ１−通常回転水素濃度ＣＲＨ２が所定値未満であると判定されると、燃料電池スタック１内及びアノードガス循環流路３５内の液水は、アノードガス循環流路３５の圧力損失特性に影響を与えない程度に減少したものとして、ステップＳ６６に進む。
【０１２４】
ステップＳ６６において、コントローラ６は、上記ステップＳ６５において高回転時水素濃度ＣＲＨ１−通常回転水素濃度ＣＲＨ２が所定値未満である状態が継続している時間が、所定時間を経過したか否かを判定する。
【０１２５】
ここで、所定時間は、計測誤差等の要因によって高回転時水素濃度ＣＲＨ１−通常回転水素濃度ＣＲＨ２が一時的に所定値未満となることで、実際には燃料電池スタック１内及びアノードガス循環流路３５内の液水が十分に減少していないにもかかわらず、液水が存在しなくなったと誤判定されることを防止するために設定される時間である。
【０１２６】
したがって、コントローラ６は、上記所定時間が経過していないと判定すると、ステップＳ６５における高回転時水素濃度ＣＲＨ１−通常回転水素濃度ＣＲＨ２が所定値未満であるとした判定は、計測誤差等による誤判定であると判断し、ステップＳ６０以降の処理を行う。
【０１２７】
一方で、コントローラ６は、上記所定時間が経過したと判定すると、ステップＳ６７に進む。
【０１２８】
ステップＳ６７において、コントローラ６は、通常回転水素濃度ＣＲＨ２を、現在の水素濃度ＣＲＨの推定値として設定する。なお、高回転時水素濃度ＣＲＨ１を現在の水素濃度ＣＲＨの推定値として設定しても良い。
【０１２９】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１３０】
本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、液水存在時処理（図１５のステップＳ５５）が、循環ポンプ３７の回転数を増加させた高回転運転を行う高回転運転ステップ（図１７のステップＳ６０）と、高回転運転時における水素濃度（高回転時水素濃度ＣＲＨ１）の演算を行う高回転運転時演算ステップ（図１７のステップＳ６１）と、循環ポンプ３７における差圧変動δＰが所定値未満となった後に、循環ポンプ３７の回転数を減少させて通常回転運転を行う通常回転運転ステップ（図１７のステップＳ６３）と、通常回転運転時における水素濃度（通常回転水素濃度ＣＲＨ２）の演算を行う通常回転運転時演算ステップ（図１７のステップＳ６４）と、高回転時水素濃度ＣＲＨ１と通常回転水素濃度ＣＲＨ２が所定時間の間実質的に相互に一致するか否かを判定する判定ステップ（図１７のステップＳ６５）と、当該判定ステップで一致すると判定された場合には、通常回転水素濃度ＣＲＨ２又は高回転時水素濃度ＣＲＨ１を、現在の水素濃度の推定値として設定する一致判定処理ステップ、上記判定ステップで一致しないと判定された場合には、再度、高回転運転時演算ステップ、通常回転運転ステップ、通常回転運転時演算ステップ、及び判定ステップを行う不一致判定処理ステップと、を含む。
【０１３１】
特に、本実施形態では、第４実施形態で説明した液水存在判断装置としてのコントローラ６が、循環ポンプ３７の回転数を増加させた高回転運転を実行する高回転運転実行部と、高回転運転時における高回転時水素濃度ＣＲＨ１の演算を実行する高回転運転時演算実行部と、循環ポンプ３７における差圧変動δＰが所定値未満となった後に、循環ポンプ３７の回転数を減少させて通常回転運転を実行する通常回転運転実行部と、通常回転運転時における通常回転水素濃度ＣＲＨ２の演算を実行する通常回転運転時演算実行部と、高回転時水素濃度ＣＲＨ１と通常回転水素濃度ＣＲＨ２が所定時間の間実質的に相互に一致するか否かを判定する判定部と、当該判定ステップで一致すると判定された場合には、通常回転水素濃度ＣＲＨ２又は高回転時水素濃度ＣＲＨ１を、現在の水素濃度の推定値として設定する一致判定処理部と、上記判定ステップで一致しないと判定された場合には、再度、高回転運転時演算ステップ、通常回転運転ステップ、通常回転運転時演算ステップ、及び判定ステップを行う不一致判定処理部として機能する。
【０１３２】
これにより、燃料電池スタック１内に液水が存在する場合において、循環ポンプ３７の回転数を増加させた高回転運転を行うことで燃料電池スタック１内の液水を飛ばすことができる。特に、本実施形態では、高回転時水素濃度ＣＲＨ１と通常回転水素濃度ＣＲＨ２が実質的に一致する状態となるまで、上記高回転運転が繰り返されることとなる。したがって、燃料電池スタック１内に液水が存在しない状態となってから、水素濃度ＣＲＨの推定を行うことができるので、アノードガス循環流路３５の圧力損失特性が大きく変動した状態で水素濃度ＣＲＨの推定を実行することによる、推定誤差の発生をより確実に防止することができる。
【０１３３】
（第６実施形態）
以下、第６の実施形態について説明する。なお、既に説明した実施形態の要素と同様の要素には同一の符号を付す。
【０１３４】
本実施形態では、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの計測にあたり、出力電流Ｉ及び出力電圧Ｖに交流信号を重畳する構成に代えて、燃料電池スタック１に所定の計測用電流源から電流Ｉを供給し、当該供給電流Ｉと出力される出力電圧Ｖとに基づいて内部インピーダンスＺ＝Ｖ／Ｉを算出するいわゆる励起電流印加法が行われる。
【０１３５】
図１８は、本実施形態に係るインピーダンス計測装置５の概略構成に示したブロック図である。
【０１３６】
図示のように、インピーダンス計測装置５は、燃料電池スタック１の正極端子（カソード極側端子）１Ｂ及び負極端子（アノード極側端子）１Ａの他に、中途端子１Ｃに接続されている。なお、中途端子１Ｃに接続された部分は図に示すようにアースされている。
【０１３７】
そして、インピーダンス計測装置５は、中途端子１Ｃに対する正極端子１Ｂの正極側交流電位差Ｖ１を検出する正極側電圧検出センサ２１０と、中途端子１Ｃに対する負極端子１Ａの負極側交流電位差Ｖ２を検出する負極側電圧検出センサ２１２と、を有している。
【０１３８】
さらに、インピーダンス計測装置５は、正極端子１Ｂと中途端子１Ｃからなる回路に交流電流Ｉ１を印加する正極側交流電源部２１４と、負極端子１Ａと中途端子１Ｃからなる回路に交流電流Ｉ２を印加する負極側交流電源部２１６と、これら交流電流Ｉ１及び交流電流Ｉ２の振幅や位相を調整するコントローラ２１８と、正極側交流電位差Ｖ１、Ｖ２及び交流電流Ｉ１、Ｉ２に基づいて燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺの演算を行う演算部２２０と、を有している。
【０１３９】
本実施形態では、コントローラ２１８は、正極側交流電位差Ｖ１と負極側交流電位差Ｖ２が等しくなるように、交流電流Ｉ１と交流電流Ｉ２の振幅及び位相を調節する。なお、このコントローラ２１８は、図１に示すコントローラ６により構成されても良い。
【０１４０】
また、演算部２２０は、図示しないＡＤ変換器やマイコンチップ等のハードウェア、及びインピーダンスを算出するプログラム等のソフトウェア構成を含み、正極側交流電位差Ｖ１を交流電流Ｉ１で除して、中途端子１Ｃから正極端子１Ｂまでの内部インピーダンスＺ１を算出し、負極側交流電位差Ｖ２を交流電流Ｉ２で除して、中途端子１Ｃから負極端子１Ａまでの内部インピーダンスＺ２を算出する。さらに、演算部２２０は、内部インピーダンスＺ１と内部インピーダンスＺ２の和をとることで、燃料電池スタック１の全内部インピーダンスＺを算出する。
【０１４１】
上記した本実施形態に係る燃料電池の状態推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１４２】
本実施形態に係る燃料電池の状態推定方法では、インピーダンス計測装置５のコントローラ２１８は、積層電池として構成された燃料電池スタック１に交流電流Ｉ１，Ｉ２を出力し、燃料電池スタック１の正極端子１Ｂの電位から中途端子１Ｃの電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差Ｖ１と、燃料電池スタック１の負極端子１Ａの電位から中途端子１Ｃの電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差Ｖ２と、に基づいて交流電流Ｉ１，Ｉ２を調整し、調整された交流電流Ｉ１及びＩ２、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２に基づいて燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを演算する。
【０１４３】
特に、コントローラ２１８は、燃料電池スタック１の正極側の正極側交流電位差Ｖ１が負極側の負極側交流電位差Ｖ２と実質的に一致するように、正極側交流電源部２１４により印加される交流電流Ｉ１及び負極側交流電源部２１６により印加される交流電流Ｉ２の振幅及び位相を調節する。これにより、正極側交流電位差Ｖ１と負極側交流電位差Ｖ２とが等しくなるので、正極端子１Ｂと負極端子１Ａが実質的に等電位となる。したがって、インピーダンス計測のための交流電流Ｉ１、Ｉ２が走行モータ等の負荷に流れることが防止されるので、燃料電池スタック１による発電によるインピーダンス計測への影響が防止される。
【０１４４】
また、燃料電池スタック１が発電状態の下で内部インピーダンスの計測を実行する場合、当該発電により生じた電圧に計測用交流電位が重畳されることとなるので、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２の値自体が大きくなるが、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２の位相や振幅自体が変わるわけではないので、燃料電池スタック１が発電状態ではない場合と同様に高精度に内部インピーダンスＺを計測することができる。
【０１４５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【符号の説明】
【０１４６】
１    燃料電池スタック
１Ａ    負極端子
１Ｂ    正極端子
１Ｃ    中途端子
６    コントローラ
３５    アノードガス循環流路
３６    ポンプ入口側圧力センサ
３７    循環ポンプ
３７ａ    回転数センサ
３８    ポンプ出口側圧力センサ
３９    温度センサ
４０    温度取得装置
４１    差圧取得装置
４２    回転数取得装置
４３    データ記憶部
４４    ガス密度推定装置
４５    相対湿度推定装置
１００    燃料電池システム
２１０    正極側電圧検出センサ
２１２    負極側電圧検出センサ
２１４    正極側交流電源部
２１６    負極側交流電源部
２１８    コントローラ
２２０    演算部
【図１】
0006620510.tif 000006
【図２】
0006620510.tif 000007
【図３】
0006620510.tif 000008
【図４】
0006620510.tif 000009
【図５】
0006620510.tif 000010
【図６】
0006620510.tif 000011
【図７】
0006620510.tif 000012
【図８】
0006620510.tif 000013
【図９】
0006620510.tif 000014
【図１０】
0006620510.tif 000015
【図１１】
0006620510.tif 000016
【図１２】
0006620510.tif 000017
【図１３Ａ】
0006620510.tif 000018
【図１３Ｂ】
0006620510.tif 000019
【図１４】
0006620510.tif 000020
【図１５】
0006620510.tif 000021
【図１６】
0006620510.tif 000022
【図１７】
0006620510.tif 000023
【図１８】
0006620510.tif 000024