(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備え、前記燃料電池の出力信号に周波数を変化させながら正弦波信号を印加した場合の前記燃料電池の複素インピーダンスにより得られる、前記燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分（Ｒ１）と、前記燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分（Ｒ２）とから前記燃料電池内部の水分状態を推定す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任意の周波数を有する正弦波信号を印加する正弦波印加手段（４０）と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段（４１）と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段（４２）と、
２つの所定周波数の正弦波信号を印加した場合の前記燃料電池の複素インピーダンスを算出するインピーダンス演算手段（４３〜４７）とを備え、
前記インピーダンス演算手段は、前記２つの所定周波数における前記燃料電池の複素インピーダンスの一方を、前記正弦波印加手段（４０）により前記所定周波数の正弦波信号を印加した場合の、前記電圧検出手段（４１）で検出した前記出力電圧および前記電流検出手段（４２）で検出した前記出力電流に基づいて算出し、
前記２つの所定周波数における前記燃料電池の複素インピーダンスの他方を、前記正弦波印加手段により前記正弦波信号を印加しない場合において、前記出力電圧を前記出力電流で除した値を、周波数が０における前記燃料電池の複素インピーダンスとして算出し、
前記インピーダンス演算手段は、前記燃料電池の複素インピーダンスを表示する複素平面を設定し、前記所定周波数の正弦波信号を印加した場合の前記一方の複素インピーダンスの座標（ａ３、ｂ３）、および前記正弦波信号を印加しない場合の前記他方の複素インピーダンスの座標（Ｒ２、０）を、前記複素平面の実軸上に中心をもつ半円上に位置させ、
前記インピーダンス演算手段は、前記２点の座標（ａ３、ｂ３）、（Ｒ２、０）から、前記半円の中心の座標（ａc、０）と前記半円の半径（Ｒ）を算出し、
前記燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分（Ｒ１）を、前記半円の中心の前記実軸上の座標（ａc）から前記半円の半径（Ｒ）を減算することにより算出し、
前記燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分（Ｒ２）を、前記半円の半径（Ｒ）の２倍の値から算出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記出力信号は、前記燃料電池の出力電流および出力電圧であり、前記正弦波信号は、正弦波電流もしくは正弦波電圧であ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】
前記燃料電池の内部水分量を調整する内部水分量調整手段（２０〜２３、３０〜３３）を備え、
前記燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分（Ｒ１）に基づいて前記燃料電池の内部水分量が不足していると判定された場合には、前記内部水分量調整手段により前記燃料電池の内部水分量を増加させ、
前記燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分（Ｒ２）に基づいて前記燃料電池の内部水分量が過剰であると判定された場合には、前記内部水分量調整手段により前記燃料電池の内部水分量を減少させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギー発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の内部抵抗は、燃料電池内部の電解質膜の湿潤度に影響することが知られており、燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。
【０００３】
このため、燃料電池を高効率で運転させるためには、燃料電池の内部水分量の管理を最適に行う必要があるが、現状では燃料電池の内部水分量を直接計測する手法はない。
【０００４】
燃料電池の内部水分量は、燃料電池の複素インピーダンスと相関関係があるため、燃料電池のインピーダンスを測定することで、間接的に燃料電池内部の水分状態を把握することは可能である。現在、インピーダンスを計測する方法として交流インピーダンス法がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、現状の交流インピーダンス法では、印加する正弦波の周波数を変化させながら多数の点でインピーダンスを計測するため、一回の計測に数分を要する。このため、経時的に変化する燃料電池のインピーダンスを計測することは困難であり、燃料電池内部の水分状態をリアルタイムに把握することが難しかった。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池のインピーダンスを経時的に計測可能であり、燃料電池内部の水分状態をリアルタイムに把握することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備え、燃料電池の出力信号に周波数を変化させながら正弦波信号を印加した場合の燃料電池の複素インピーダンスにより得られる、燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分（Ｒ１）と、燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分（Ｒ２）とから燃料電池内部の水分状態を推定する燃料電池システムであって、
燃料電池の出力信号に任意の周波数を有する正弦波信号を印加する正弦波印加手段（４０）と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段（４１）と、燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段（４２）と、２つの所定周波数の正弦波信号を印加した場合の燃料電池の複素インピーダンスを算出するインピーダンス演算手段（４３〜４７）とを備え、
インピーダンス演算手段は、２つの所定周波数における燃料電池の複素インピーダンスの一方を、正弦波印加手段（４０）により所定周波数の正弦波信号を印加した場合の、電圧検出手段（４１）で検出した出力電圧および電流検出手段（４２）で検出した出力電流に基づいて算出し、２つの所定周波数における燃料電池の複素インピーダンスの他方を、正弦波印加手段により正弦波信号を印加しない場合において、出力電圧を出力電流で除した値を、周波数が０における燃料電池の複素インピーダンスとして算出し、
インピーダンス演算手段は、燃料電池の複素インピーダンスを表示する複素平面を設定し、所定周波数の正弦波信号を印加した場合の一方の複素インピーダンスの座標（ａ３、ｂ３）、および正弦波信号を印加しない場合の他方の複素インピーダンスの座標（Ｒ２、０）を、複素平面の実軸上に中心をもつ半円上に位置させ、
インピーダンス演算手段は、前記２点の座標（ａ３、ｂ３）、（Ｒ２、０）から、前記半円の中心の座標（ａc、０）と前記半円の半径（Ｒ）を算出し、
燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分（Ｒ１）を、前記半円の中心の実軸上の座標（ａc）から前記半円の半径（Ｒ）を減算することにより算出し、
燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分（Ｒ２）を、前記半円の半径（Ｒ）の２倍の値から算出することを特徴としている。
【０００８】
これによれば、燃料電池の複素インピーダンスを表示する複素平面の実軸上に中心をもつ半円上に、所定周波数の正弦波信号を印加した場合の一方の複素インピーダンスの座標（ａ３、ｂ３）、および正弦波信号を印加しない場合の他方の複素インピーダンスの座標（Ｒ２、０）を位置させ、これら２点の座標（ａ３、ｂ３）、（Ｒ２、０）から、前記半円の中心の座標（ａc、０）と前記半円の半径（Ｒ）を算出し、この半円の中心の座標（ａc、０）と半径（Ｒ）とに基づいて、燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分（Ｒ１）と、燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分（Ｒ２）とを求めることができる。このため、交流インピーダンス法により燃料電池の内部水分量を推定する際に、周波数を変化させながら多数の点で複素インピーダンスを計測する必要がなく、インピーダンスの計測を短時間で行うことができる。これにより、経時的にインピーダンス計測を行うことができ、燃料電池内部の水分状態（水分の不足／過剰）をリアルタイムに把握することが可能となる。
【００１０】
特に、請求項１に記載の発明によれば、正弦波信号を印加しない場合において、燃料電池の出力電圧を出力電流で除した値を、周波数が０における燃料電池の複素インピーダンスとして算出するから、１つの周波数における複素インピーダンスを計測するだけでよく、さらに短時間でインピーダンスの計測を行うことができる。
【００１８】
また、請求項２に記載の発明のように、出力信号は燃料電池の出力電流および出力電圧であり、正弦波信号は正弦波電流もしくは正弦波電圧であるとすることができる。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明では、燃料電池の内部水分量を調整する内部水分量調整手段（２０〜２３、３０〜３３）を備え、燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分（Ｒ１）に基づいて燃料電池の内部水分量が不足していると判定された場合には、内部水分量調整手段により燃料電池の内部水分量を増加させ、燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分（Ｒ２）に基づいて燃料電池の内部水分量が過剰であると判定された場合には、内部水分量調整手段により燃料電池の内部水分量を減少させることを特徴としている。
【００２０】
これにより、燃料電池の内部水分量を最適に保つことができる。
【００２１】
なお、上記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。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の燃料電池システムを電気自動車に適用したものである。
【００２３】
図１は、本第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムには、燃料電池（ＦＣスタック）１０、空気供給装置２１、水素供給装置３１、インピーダンス検出部４０〜４７、制御部５０等が設けられている。
【００２４】
燃料電池（ＦＣスタック）１０は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる単セルが複数積層されて構成されている。燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。
（水素極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池１０は、インバータ（負荷）１１や図示しない２次電池等の電気機器に電力を供給するように構成されている。インバータ１１は、燃料電池１０から供給された直流電流を交流電流に変換して図示しない走行用モータに供給してモータを駆動する。
【００２５】
燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気経路（酸素経路）２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素経路３０が設けられている。空気経路２０の最上流部には空気供給装置（コンプレッサ）２１が設けられている。また、水素経路３０の最上流部には水素供給装置３１が設けられている。水素供給装置３１としては、例えば改質反応により水素を生成する改質装置、あるいは水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵する水素タンクを用いることができる。空気供給装置２１、水素供給装置３１は、空気および水素の供給量を調整し流量を調整することができる。
【００２６】
上記電気化学反応のためには、燃料電池１０内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている必要がある。このため、空気経路２０には、燃料電池１０に供給される空気を加湿するための加湿器２２が設けられている。加湿器２２は、空気の加湿量を調整可能に構成されている。同様に、水素経路３０にも、燃料電池１０に供給される水素を加湿するための加湿器３２が設けられている。加湿器２２、３２による加湿量を増大することにより内部水分量を増大させることができ、加湿器２２、３２による加湿量を減少することにより内部水分量を減少させることができる。
【００２７】
空気経路２０における燃料電池１０下流側には、空気経路２０を流れる空気の圧力を調整するための背圧調整バルブ２３が設けられている。バルブ２３の開度を小さくすることで空気経路２０内の空気圧を高くすることができ、開度を大きくすることで空気圧を低くすることができる。同様に、水素経路３０における燃料電池１０下流側にも、水素経路３０を流れる水素の圧力を調整するための背圧調整バルブ３３が設けられている。
【００２８】
背圧調整バルブ２３、３３の開度を大きくすることで、燃料電池１０内部において空気経路２０、水素経路３０内の圧力が低下し、これらの経路２０、３０内の水分蒸発を促進することができ、内部水分量を減少させることができる。また、背圧調整バルブ２３、３３の開度を小さくすることで、燃料電池１０内部において空気経路２０、水素経路３０内の圧力が増大し、これらの経路２０、３０内の水分蒸発を抑制することができ、内部水分量を増大させることができる。
【００２９】
さらに、空気供給装置２１から供給される空気の流速を速くしたり、水素供給装置３１から供給される水素の流速を速くすることでも、燃料電池１０内部の水分を吹き飛ばして、内部水分量を減少させることができる。
【００３０】
上記の加湿器２２、３２、背圧調整バルブ２３、３３、空気供給装置２１、水素供給装置３１は、燃料電池１０の内部水分量を増加あるいは減少させて調整する内部水分量調整手段を構成している。これらは、それぞれ単独で用いてもよく、あるいは組み合わせて用いてもよい。
【００３１】
次に、図２に基づいて、燃料電池１０の出力電圧低下と内部水分量との関係について説明する。図２は、燃料電池１０の出力電圧と出力電流との関係を示している。燃料電池１０では、電池内部での損失がなければ、図２中破線で示すように一定の起電力が発生する。
【００３２】
しかし、実際には、図２中の実線で示すように電圧降下が生ずる。その内訳は、１）電気化学反応の活性化エネルギに起因する活性化過電圧、２）燃料電池１０の内部抵抗に起因する抵抗過電圧、３）水素、酸素の拡散が阻害されることに起因する拡散過電圧が発生することによるものである。
【００３３】
燃料電池１０内の水分量が不足すると、高分子電解質膜の含水量が減少し、電解質膜の導電率が低下する。この結果、電解質膜の電気抵抗が増大するため、２）抵抗過電圧が増加する。一方、１）活性過電圧、３）拡散過電圧は水分量不足による影響は受けない。
【００３４】
燃料電池１０内の水分量が過剰になると、燃料電池１０の電極が水によって覆われてしまうため、反応物質である水素、酸素の拡散が阻害され、３）拡散過電圧が増大する。一方、１）活性化過電圧、２）抵抗過電圧は水分量過剰による影響は受けない。
【００３５】
上記点から、２）抵抗過電圧の増加と、３）拡散過電圧の増加を分離して計測することができれば、抵抗過電圧の増加から内部水分量の不足を判断でき、拡散過電圧の増加から内部水分量の過剰を判断することができる。これらの抵抗過電圧と拡散過電圧は、交流インピーダンス法を用いることにより分離することが可能となる。
【００３６】
次に、図３、図４に基づいて、交流インピーダンス法による抵抗過電圧と拡散過電圧の分離方法について説明する。
【００３７】
図３は燃料電池１０の等価回路を示している。図３の等価回路におけるＲ１は電解質膜の抵抗に相当し、Ｒ２は活性化過電圧と拡散過電圧を抵抗換算したものに相当している。図３の等価回路に所定の周波数を有する正弦波電流を印加した場合、電流の変化に対して電圧の応答が遅れる。
【００３８】
図４は、図３の回路に高周波から低周波までの正弦波電流を印加した場合の燃料電池１０のインピーダンスを複素平面上に表示したものである。印加する正弦波電流の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）のインピーダンスは、図４におけるＲ１となる。また、正弦波電流の周波数が非常に小さい場合（ω＝０）のインピーダンスは、Ｒ１＋Ｒ２となる。高周波から低周波の間で周波数を変化させたときのインピーダンスは、図４に示すような半円を描く。
【００３９】
これらのことより、交流インピーダンス法を用いることで、燃料電池１０の等価回路におけるＲ１とＲ２を分離して計測することが可能となる。Ｒ１が予め定められた第１所定値より大きくなり出力が低下している場合には、高分子電解質膜が乾燥して抵抗過電圧が大きくなり、導電率が低下していることが出力低下の原因と判断できる。また、Ｒ２が予め定められた第２所定値より大きくなり出力が低下している場合には、電極表面に水が過剰に存在し、拡散過電圧が大きくなっていることが原因であると判断できる。
【００４０】
本第１実施形態の燃料電池システムには、交流インピーダンス法により燃料電池１０のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部４０〜４７が設けられている。
【００４１】
インピーダンス検出部は、任意の周波数で正弦波電流を発生する正弦波発振器（正弦波印加手段）４０と、燃料電池１０の出力電圧を検出する電圧センサ（電圧検出手段）４１、出力電流を検出する電流センサ（電流検出手段）４２と、電圧信号、電流信号からノイズを除去するフィルタ部４３、４４と、高速フーリエ変換処理を行うＦＦＴ処理部４５、４６と、ＦＦＴ処理された電圧成分、電流成分からインピーダンスを算出するインピーダンス分析部４７とからなる。フィルタ部４３、４４、ＦＦＴ処理部４５、４６、インピーダンス分析部４７は、インピーダンス演算手段を構成している。
【００４２】
また、本第１実施形態の燃料電池システムでは、各種制御を行う制御部５０が設けられている。制御部５０は、インピーダンス分析部４７にて算出された燃料電池１０のインピーダンスに基づいて、燃料電池１０内部の水分状態を判断し、これに基づいて燃料電池１０の内部水分量の制御を行うように構成されている。
【００４３】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。
【００４４】
まず、運転者によるアクセル開度等から車両走行に必要な車両要求電力を検出する。燃料電池１０では、車両要求電力を供給するように発電を行う。次に、インピーダンス検出部４０〜４７により、燃料電池１０のインピーダンス計測を行う。
【００４５】
図５は、インピーダンス計測手順を示している。まず、正弦波発振器４０により、燃料電池１０から出力される直流電流に所定の周波数を有する正弦波電流を印加する。このときの燃料電池１０の出力電圧を電圧センサ４１で検出し、出力電流を電流センサ４２で検出する。電圧信号、電流信号は、フィルタ部４３、４４にて高周波ノイズ成分と低周波の車両要求電力を満たすための電流変動成分が除去される。
【００４６】
ＦＦＴ処理部４５、４６では、高速フーリエ変換を行い、フィルタ部４３、４４を通過した電圧信号、電流信号をそれぞれ実成分と虚成分（ａV＋ｊｂV、ａI＋ｊｂI）に分離する。インピーダンス分析器４７では、ＦＦＴ処理した電圧信号をＦＦＴ処理した電流信号で除してインピーダンスの実成分と虚成分を算出し、複素平面上での原点からの距離（絶対値）ｒと位相角θを出力する。
【００４７】
以上の手順により、所定周波数における燃料電池１０のインピーダンスを検出することができる。
【００４８】
次に、燃料電池１０の抵抗過電圧と拡散過電圧を分離して検出する。上述のように、交流インピーダンス法により図３の等価回路におけるＲ１とＲ２を求めれば、燃料電池１０の抵抗過電圧と拡散過電圧を分離して検出することができる。図６は、Ｒ１とＲ２を算出する手順を示している。本第１実施形態では、異なる周波数における２点のインピーダンスを計測することで、Ｒ１およびＲ２を算出する。
【００４９】
まず、異なる２つの周波数ｆ１、ｆ２における燃料電池１０のインピーダンスを計測する。図６に示すように、これら２点の複素平面上における座標を、それぞれ（ａ１，ｂ１）、（ａ２，ｂ２）とする。これら２点の座標は、図４に示す実軸上に中心を持つ半円の円周上に位置する。
【００５０】
従って、２点の座標（ａ１，ｂ１）、（ａ２，ｂ２）から、円の中心の座標（ａC，０）と半径Ｒを算出することができる。このように、２点のインピーダンスを用いて、高周波（ω＝∞）から低周波（ω＝０）まで周波数を変化させた場合のインピーダンスを算出することができる。このとき、Ｒ１＝（中心のＸ座標−円の半径）＝（ａC−Ｒ）、Ｒ２＝円の直径＝２Ｒとなる。以上のように、２点のインピーダンスからＲ１とＲ２を算出することができる。
【００５１】
次に、燃料電池１０の内部水分量の状態を判定する。上述のようにＲ１は電解質膜の抵抗に相当し、Ｒ２は活性化過電圧と拡散過電圧を抵抗換算したものに相当している。このため、Ｒ１が予め設定された第１所定値より大きく、Ｒ２が第２所定値より小さい場合には、抵抗過電圧が増加しており、燃料電池１０の内部水分量が不足していると推定できる。また、Ｒ１が第１所定値より小さく、Ｒ２が第２所定値より大きい場合には、拡散過電圧が増加しており、燃料電池１０の内部水分量が過剰であると推定できる。
【００５２】
燃料電池１０の内部水分量が不足していると判定された場合には、加湿器２２、３２等の内部水分量調整手段により、燃料電池１０の内部水分量を増加させるように制御を行う。一方、燃料電池１０の内部水分量が過剰であると判定された場合には、加湿器２２、３２等により燃料電池１０の内部水分量を減少させる。これにより、燃料電池１０の内部水分量を適正に保つことができる。
【００５３】
以上、本第１実施形態によれば、交流インピーダンス法により燃料電池１０の内部水分量を推定する際に、異なる２つの周波数における燃料電池１０のインピーダンスを計測するだけでよい。このため、インピーダンスの計測を短時間で行うことができるので、経時的にインピーダンス計測を行うことができ、燃料電池１０内部の水分状態（水分の不足／過剰）をリアルタイムに把握することが可能となる。
【００５４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、図３の等価回路におけるＲ１とＲ２を求める方法が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５５】
図７は、本第２実施形態におけるＲ１とＲ２を算出する手順を示している。本第２実施形態では、所定周波数における１点のインピーダンスを計測し、Ｒ１およびＲ２を算出する。
【００５６】
まず、所定周波数ｆ３における燃料電池１０のインピーダンスを計測する。図７に示すように、この点の複素平面上における座標を（ａ３，ｂ３）とする。次に、正弦波発振器４０にて正弦波電流を印加していない場合において、燃料電池１０の出力電圧を出力電流で除した値を、周波数＝０における燃料電池１０のインピーダンスとしてＲ２＝（出力電圧）／（出力電流）とする。この点を（Ｒ２，０）の座標にあると考える。
【００５７】
（ａ３，ｂ３）と（Ｒ２，０）は、ともに図７、図４に示す実軸上に中心を持つ半円の円周上に位置する。従って、上記第１実施形態と同様に、２点の座標（ａ３，ｂ３）、（Ｒ２，０）から、円の中心の座標（ａc，０）と半径Ｒを算出することができる。このとき、Ｒ１＝（中心のＸ座標−円の半径）＝（ａc−Ｒ）、Ｒ２＝円の直径＝２Ｒとなる。
【００５８】
以上のように、所定の周波数における一点のインピーダンスを測定するとともに、定常状態の出力電圧、出力電流を測定することで、上記第１実施形態と同様にＲ１とＲ２を算出することができる。
【００５９】
このようにＲ１とＲ２を求めた後、上記第１実施形態と同様、燃料電池１０内部の水分状態を推定し、内部水分量調整手段により燃料電池１０の内部水分量の制御を行う。
【００６０】
以上、本第２実施形態によれば、交流インピーダンス法により燃料電池１０の内部水分量を推定する際に、１つの所定周波数における燃料電池１０のインピーダンスを計測するだけでよい。このため、上記第１実施形態と同様に、短時間でインピーダンスの計測を行うことができるので、経時的にインピーダンス計測を行うことができ、燃料電池１０内部の水分状態（水分の不足／過剰）をリアルタイムに把握することができる。
【００６１】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池１０のインピーダンスから内部水分量を推定する方法が異なるものである。
【００６２】
本第３実施形態における燃料電池１０のインピーダンスに基づく燃料電池１０内部の水分状態の推定方法について図４、図８に基づいて説明する。図８は、所定周波数の正弦波が印加された場合における燃料電池１０のインピーダンスと、燃料電池１０内部の水分状態との関係を示している。
【００６３】
図４において、燃料電池１０の内部水分量が不足し抵抗過電圧が増大した場合には、複素平面上でＲ１が増大する。Ｒ１の増大に伴い、所定の周波数におけるインピーダンスＺは、主に実成分ａが大きくなり、複素平面上で原点から遠ざかる。この結果、インピーダンスＺの絶対値ｒが大きくなるとともに、インピーダンスＺの位相角θは小さくなる。これは、燃料電池１０の電流信号に対する電圧信号の位相遅れ（応答遅れ）が小さくなることを意味している。
【００６４】
一方、燃料電池１０の内部水分量が過剰であり、拡散過電圧が増大した場合には、図４の複素平面上でＲ２が増大する。Ｒ２の増大に伴い、所定の周波数におけるインピーダンスＺは、主に虚成分ｂが大きくなり、複素平面上で原点から遠ざかる。この結果、インピーダンスＺの絶対値ｒが大きくなるとともに、インピーダンスＺの位相角θは大きくなる。これは燃料電池１０の出力電流に対する出力電圧の位相の遅れが大きくなることを意味している。
【００６５】
以上のように、燃料電池１０内部の水分状態は、燃料電池１０のインピーダンスの位相角（電流信号に対する電圧信号の位相の遅れ）および絶対値と相関関係がある。図８はこれらの関係を示しており、複素平面上に内部水分量が、１）最適な領域、２）過剰な領域、３）不足している領域の３つの領域を設定している。これらの領域は、燃料電池１０の負荷に応じて定められる。
【００６６】
図８に示すように、燃料電池１０の内部水分量の状態は、燃料電池１０のインピーダンスの位相角に基づいて推定することができる。すなわち、所定周波数における燃料電池１０のインピーダンスの位相角が、所定位相角θｏ近傍にある場合には燃料電池の内部水分量は適正であり、所定位相角θｏより小さい場合には内部水分量が不足しており、所定位相角θｏより大きい場合には内部水分量が過剰であると判定できる。内部水分量の判断基準となる所定位相角θｏは、印加する正弦波の周波数等によって予め設定される。
【００６７】
また、図８に示すように、内部水分量の最適領域は、燃料電池１０のインピーダンスの実成分および虚成分がそれぞれ所定値より小さい領域である。従って、インピーダンスの絶対値が所定値より小さい場合には、内部水分量が適正領域にあると判断できる。
【００６８】
以上のことにより、本第３実施形態では、ある所定の周波数１点における燃料電池１０のインピーダンスを計測することによって、次のように燃料電池１０内部の水分状態を推定できる。
【００６９】
１）燃料電池１０のインピーダンスの位相角に基づいて、燃料電池の内部水分量の状態を判断することができる。
【００７０】
２）また、インピーダンスの絶対値が所定値より小さい場合には、内部水分量が最適領域にあると判断することができる。
【００７１】
３）また、電圧センサ４１により燃料電池１０の出力低下を判定した上で、インピーダンスの位相角により、水分不足あるいは過剰を判定することもできる。
【００７２】
４）また、複素平面上で内部水分量の最適領域、過剰領域、不足領域を予め設定し、インピーダンスの複素平面上における座標が３つの領域のいずれに位置するかによって、燃料電池１０内部の水分状態を推定することができる。
【００７３】
以上、本第３実施形態によれば、交流インピーダンス法により燃料電池１０の内部水分量を推定する際に、１つの所定周波数における燃料電池１０のインピーダンスを計測するだけでよい。このため、上記第１実施形態と同様に、インピーダンスの計測を短時間で行うことができるので、経時的にインピーダンス計測を行うことができ、燃料電池１０内部の水分状態（水分の不足／過剰）をリアルタイムに把握することが可能となる。
【００７４】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、正弦波発振器４０では、正弦波電流を発生するように構成したが、正弦波電圧を発生するように構成してもよく、燃料電池１０が出力する直流電圧に正弦波電圧を印加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成示す概念図である。
【図２】燃料電池の電圧降下の内容を示す特性図である。
【図３】燃料電池の等価回路を示す回路図である。
【図４】燃料電池のインピーダンスを示す特性図である。
【図５】インピーダンス検出部の作動を示す概念図である。
【図６】２点のインピーダンスから周波数を変化させた場合のインピーダンス算出手順を示す特性図である。
【図７】１点のインピーダンスから周波数を変化させた場合のインピーダンス算出手順を示す特性図である。
【図８】燃料電池のインピーダンスと内部水分量の状態との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、１１…インバータ、２０…空気供給経路、２１…空気供給装置、２２…加湿器、２３…背圧調整バルブ、３０…水素供給経路、３１…水素供給装置、３２…加湿器、３３…背圧調整バルブ、４０…正弦波発振器、４１…電圧センサ、４２…電流センサ、４３、４４…フィルタ部、４５、４６…ＦＦＴ処理部、４７…インピーダンス分析部、５０…制御部。
【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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