(57)【要約】      （修正有）【課題】システム始動時において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】アノードガスとしての水素及びカソードガスとしての空気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、燃料電池１の出力に交流電流及び交流電圧を発生させる出力制御手段Ｓ２０１と、所定周波数における交流電流及び交流電圧に基づいて燃料電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段Ｓ２０４と、内部インピーダンスに基づいて燃料電池の水素濃度を算出する水素濃度算出手段Ｓ２０５と、を備える。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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に交流電流及び交流電圧を発生させる出力制御手段と、
所定周波数におけ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を算出するインピーダンス算出手段と、
前記内部インピーダンスに基づいて前記燃料電池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】
前記出力制御手段は、前記所定周波数よりも高周波での交流電流及び交流電圧に基づく前記内部インピーダンスに基づいて前記燃料電池の膜の湿潤状態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】
前記水素濃度算出手段は、前記燃料電池の内部インピーダンス及び前記燃料電池内の水素濃度の関係を規定する特性図を用い、前記内部インピーダンスから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又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の交流電流及び交流電圧に基づいて、前記内部インピーダンスの位相遅れ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遅れが大きくなるほど、前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度を低下させる濃度補正手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の交流電流及び交流電圧に基づいて、前記内部インピーダンスの虚部成分を算出する虚部成分算出手段と、
前記内部インピーダンスの虚部成分が大きくなるほど、前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度を低下させる濃度補正手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記位相特性算出手段は、
前記燃料電池の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、前記内部インピーダンス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４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
システム始動時において前記燃料電池に水素及び空気が供給される前に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いほど、前記燃料電池に供給する水素の水素供給圧力を大きくするとともに圧力上昇速度を速くするアノードガス供給制御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６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
システム始動時において前記燃料電池への水素供給後に前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度が高いほど、前記燃料電池に供給する空気の空気供給流量を大きくするカソードガス供給制御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７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池に水素及び空気が供給される前に前記水素濃度算出手段によって算出されたガス供給前水素濃度と、前記燃料電池への水素供給後に前記水素濃度算出手段によって算出されたアノードガス供給後水素濃度とに基づいて、システム始動時における前記燃料電池のアノード電極側の水素濃度を算出するアノード電極側水素濃度算出手段をさらに備える請求項１から請求項６のいずれか一つ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る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、
システム始動時において、前記アノード電極側水素濃度が低い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９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
システム始動時において、前記アノード電極側水素濃度が低いほど前記燃料電池に供給する水素の水素供給圧力を大きくするアノードガス供給制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
システム始動時において、前記アノード電極側水素濃度が低いほど前記燃料電池が出力可能な上限出力値を低下させる上限出力制限手段をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【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水素（アノードガス）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、アノード系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差に基づいて水素濃度を算出するため、システム始動直後等、圧力差がほとんど検出されない場合には、燃料電池内における水素濃度を算出することができないという問題がある。
【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、システム始動時において燃料電池内に残留している水素の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】
本発明の燃料電池システムは、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を用いて発電する燃料電池を備える。燃料電池システムは、燃料電池の出力に交流電流及び交流電圧を発生させる出力制御手段と、所定周波数における交流電流及び交流電圧に基づいて燃料電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、内部インピーダンスに基づいて燃料電池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では、燃料電池の所定周波数における交流電流及び交流電圧に基づいて燃料電池の内部インピーダンスを算出し、その内部インピーダンスに基づいて燃料電池内の水素濃度を算出する。このように水素濃度の算出に燃料電池の内部インピーダンスを用いるので、燃料電池システムのシステム始動時においても精度よく水素濃度を算出することが可能となる。
【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膜抵抗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】燃料電池スタック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】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８】内部インピーダンスＺＬ−水素濃度特性を示す図である。
【図９】コントローラが実行するシステム始動時のガス供給制御を示すフローチャートである。
【図１０】システム始動時における水素濃度−目標アノード入口圧力特性を示す図である。
【図１１】システム始動時における水素濃度−圧力上昇速度特性を示す図である。
【図１２】システム始動時における水素濃度−空気流量特性を示す図である。
【図１３】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１４】内部インピーダンスの位相遅れθと補正係数との関係を示す図である。
【図１５】内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍと補正係数特性との関係を示す図である。
【図１６】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１７】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１８】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１９】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２０】演算部によって算出される内部インピーダンスの位相遅れθを示す図である。
【図２１】第４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アノード電極側水素濃度算出処理を示すフローチャートである。
【図２２】アノードガス供給後の水素濃度毎に設定されたガス供給前の水素濃度とアノード電極側水素濃度との関係を示す図である。
【図２３】コントローラが実行するアノードガス給排処理を示すフローチャートである。
【図２４】アノード電極側水素濃度とパージ弁開度との関係を示す図である。
【図２５】アノード電極側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２６】コントローラが実行する始動時出力制限処理を示すフローチャートである。
【図２７】アノード電極側水素濃度と上限電流値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、電解質膜をアノード電極と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電源として使用する場合には、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される。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等の各種電気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、アノードオフガスを外部に排出するための排出通路である。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希釈され、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としての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。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のほか、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等の、各種センサ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、アノード圧を増減圧させる脈動運転を行う。
【００４５】
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。そこで、燃料電池システム１００では、調圧弁２３を周期的に開閉し、アノード圧を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が減少し、燃料消費における無駄を改善することが可能となる。
【００４６】
図２を参照して、燃料電池システム１００における脈動運転について説明する。図２は、燃料電池システム１００の運転状態が一定の定常運転状態である時の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）に示すようにアノード圧を上限値まで増加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を閉弁し、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と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、燃料電池システム１００では、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の出力に基づいて燃料電池スタック１の膜抵抗（燃料電池１０の膜抵抗）を算出して燃料電池１０の電解質膜の湿潤度等を管理したり、システム始動時に燃料電池スタック１内に残留しているアノードガス（水素）の濃度を算出して水素濃度に応じた始動時運転制御を実行したりする。
【００５３】
図３〜図５を参照して、燃料電池スタック１における膜抵抗の検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の膜抵抗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、高周波信号に基づく燃料電池の内部インピーダンス、つまり燃料電池の膜抵抗Ｒｍｅｍ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が実行する燃料電池スタック１の膜抵抗算出処理について説明する。この膜抵抗算出処理は、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って、膜抵抗の推定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信号となる。
【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、Ｓ１０４で処理された交流電流の絶対値を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、Ｓ１０４で処理された交流電圧の絶対値を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することで、燃料電池スタック１の高周波出力信号に基づく燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＨを算出し、膜抵抗算出処理を終了する。Ｓ１０７で算出された内部インピーダンスＺＨが燃料電池スタック１（燃料電池１０）の膜抵抗を代表する値となる。なお、コントローラ６０は、この内部インピーダンスＺＨに基づいて電解質膜の湿潤状態を算出可能に構成されている。
【００６５】
次に、図６〜図８を参照して、燃料電池スタック１内に残留している水素の濃度の算出方法について説明する。
【００６６】
燃料電池システム１００の停止直後には、燃料電池スタック１内のアノード系及びカソード系はそれぞれ水素及び空気で満たされており、残留している水素及び空気を消費しながら燃料電池スタック１は発電している。システム停止後からしばらくの間は、アノード電極側からカソード電極側へ水素が移動するため、カソード電極側にも水素が存在している。その後さらに時間が経過すると、外部から流入してくる空気等によってアノード系及びカソード系内は空気で満たされる。このように、システム停止後からの経過時間によって燃料電池スタック内の水素濃度は変化するため、システム始動時に燃料電池スタック１内に残留している水素濃度を検知することは燃料電池システム１００の始動時制御において重要である。
【００６７】
図６は、燃料電池スタック１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。
【００６８】
図６に示すように、燃料電池スタック１の出力信号の周波数を変化させることによって、膜抵抗や反応抵抗を検出可能であることは従来から既知である。本願の発明者は、燃料電池スタック１内の水素濃度の変化に基づいて反応抵抗が変化し、この反応抵抗の変化に応じて、所定の低周波出力信号から算出される燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＬの大きさも変化することを見出した。燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の低周波出力信号に基づいて燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＬを算出し、その内部インピーダンスＺＬを用いて燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。
【００６９】
なお、システム停止してから長時間経過してアノード系及びカソード系内が空気で満たされている場合のように燃料電池スタック１内の水素濃度が低くなると、反応抵抗は増大する。このように反応抵抗が増大すると、低周波出力信号に基づく燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＬも大きくなる。
【００７０】
また、内部インピーダンスＺＬ算出のために設定される燃料電池スタック１の出力信号の周波数は、膜抵抗算出時に設定される燃料電池スタック１の出力信号の周波数１ｋＨｚよりも低く、例えば１０Ｈｚである。内部インピーダンスＺＬの算出時における燃料電池スタック１の交流出力信号の周波数は、１０Ｈｚに限定されず、水素濃度変化に起因する反応抵抗の変化の影響を検出可能な数十から数百Ｈｚの低周波数であればよい。
【００７１】
図７及び図８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７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８は、内部インピーダンスＺＬ−水素濃度特性を示す図である。
【００７２】
図７に示す水素濃度算出処理は、システム始動時等、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。
【００７３】
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１０Ｈｚ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。
【００７４】
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離算フーリエ変換処理を施して、１０Ｈｚにおける交流電流の振幅を算出する。
【００７５】
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離算フーリエ変換処理を施して、１０Ｈｚにおける交流電圧の振幅を算出する。
【００７６】
Ｓ２０４において、コントローラ６０は、交流電圧の振幅を交流電流の振幅で除して、低周波出力信号に基づく燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＬを算出する。
【００７７】
Ｓ２０５において、コントローラ６０は、図８に示す内部インピーダンスＺＬ−水素濃度特性を参照し、Ｓ２０４で算出した内部インピーダンスＺＬ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。Ｓ２０５で算出された水素濃度は、アノード電極やカソード電極等を含む燃料電池スタック１の内部に存在する水素の濃度を代表する値となる。
【００７８】
なお、図８の内部インピーダンスＺＬ−水素濃度特性は、燃料電池スタック１内の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ＺＬ−水素濃度特性は、低周波出力信号に基づく燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＬが大きくなるほど、水素濃度が低くなるように設定されている。
【００７９】
燃料電池システム１００では、水素濃度変化に起因する反応抵抗の変化の影響を検出可能な低周波出力信号を出力するように燃料電池スタック１を制御し、その時の燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＬ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ので、システム始動時等においても精度よく水素濃度を算出することができる。
【００８０】
次に、図９〜図１２を参照して、コントローラ６０が実行するシステム始動時のガス供給制御について説明する。
【００８１】
図９は、コントローラ６０が実行するシステム始動時のガス供給制御を示すフローチャートである。図１０は、システム始動時における水素濃度−目標アノード入口圧力特性を示す図である。図１１は、システム始動時における水素濃度−圧力上昇速度特性を示す図である。図１２は、システム始動時における水素濃度−空気流量特性を示す図である。
【００８２】
図９に示すシステム始動時のガス供給制御は、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。
【００８３】
Ｓ３０１において、コントローラ６０は、アノードガス及びカソードガスが燃料電池スタック１に供給される前のシステム始動時であるか否かを判定する。
【００８４】
定常運転状態等、システム始動時ではない場合には、コントローラ６０はＳ３０２〜Ｓ３０９の処理を実行せずに、システム始動時のガス供給制御を終了する。一方、システム始動時である場合には、コントローラ６０はＳ３０２の処理を実行する。
【００８５】
Ｓ３０２において、コントローラ６０は、図７の水素濃度算出処理に基づいて、アノードガス及びカソードガスが供給される前の燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。
【００８６】
Ｓ３０３において、コントローラ６０は、図１０に示す水素濃度−目標アノード入口圧力特性を参照し、Ｓ３０２で算出された水素濃度に基づいてシステム始動時における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。
【００８７】
図１０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。
【００８８】
Ｓ３０４において、コントローラ６０は、図１１に示す水素濃度−圧力上昇速度特性を参照し、Ｓ３０２で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。
【００８９】
図１１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。
【００９０】
Ｓ３０５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、Ｓ３０４で決定された圧力上昇速度でＳ３０３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制御する。
【００９１】
システム始動時において燃料電池スタック１内のほとんどが空気で満たされている場合、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、システム始動時の燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど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、水素（アノードガス）の強い流れによって燃料電池スタック１内のアノードガス流路にとど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、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。
【００９２】
Ｓ３０５の処理後Ｓ３０６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入口圧力が基準値よりも大きくなっているか否かを判定する。この基準値は、燃料電池スタック１のアノード系内のほとんどが水素になっていることを判断できるような値に設定されている。
【００９３】
アノード入口圧力が基準値以下の場合には、コントローラ６０はアノード入口圧力が基準値よりも大きくなるまで待機する。一方、アノード入口圧力が基準値よりも大きくなっている場合には、コントローラ６０はＳ３０７の処理を実行する。
【００９４】
Ｓ３０７において、コントローラ６０は、図７の水素濃度算出処理に基づいて、アノードガス供給後であってカソードガス供給前の燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。Ｓ３０７での水素濃度算出時にはアノード系は水素で満たされているので、Ｓ３０７で算出された水素濃度の大きさ参照することによって、燃料電池スタック１のカソード電極側の水素濃度を予測することができる。
【００９５】
Ｓ３０８において、コントローラ６０は、図１２に示す水素濃度−空気供給流量特性を参照し、Ｓ３０７で算出された水素濃度に基づいてシステム始動時における空気（カソードガス）の供給流量を決定する。
【００９６】
図１２の水素濃度−空気供給流量特性は、カソードガスである空気の供給流量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−空気供給流量特性は、水素濃度が高くなるほど、空気供給流量が大きくなるように設定されている。
【００９７】
Ｓ３０９において、コントローラ６０は、Ｓ３０８で決定された供給流量となるようにコンプレッサ３３を制御して、システム始動時のガス供給制御を終了する。
【００９８】
システム始動時においてアノードガス供給後に算出された水素濃度が高い場合には、燃料電池スタック１のカソード電極側に水素が多く存在していると推定できる。カソード電極側の水素濃度が高い場合に、燃料電池スタック１に供給される空気（カソードガス）の流量が小さいと、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガス中の水素濃度が可燃濃度となるおそれがある。燃料電池システム１００では、アノードガス供給後であってカソードガス供給前の燃料電池スタック１内の水素濃度が増加するほどカソード系における空気供給流量を大きくするので、多量の空気によってカソード系内の水素を希釈することができ、カソードオフガス中の水素濃度を可燃濃度よりも低く抑えることが可能となる。
【００９９】
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。
【０１００】
燃料電池システム１００では、水素濃度変化に起因する反応抵抗の変化の影響を検出可能な低周波数の交流出力信号を出力するように燃料電池スタック１を制御し、低周波出力信号に基づいて燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＬを算出して、内部インピーダンスＺＬ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。このように水素濃度の算出に燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＬを用いるので、燃料電池システム１００のシステム始動時においても精度よく水素濃度を算出することが可能となる。
【０１０１】
（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。第２実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１内の水素濃度の算出の仕方において、第１実施形態による燃料電池システム１００と相違する。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には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。
【０１０２】
第１実施形態では低周波出力信号に基づく燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＬから水素濃度を算出したが、第２実施形態では図６に示した内部インピーダンスＺＬと内部インピーダンスＺＬの位相遅れθとを用いて燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＬから算出される水素濃度は水素濃度が低下するほど実際の濃度よりも大きく算出される傾向にあり、第２実施形態では、内部インピーダンスＺＬから算出される水素濃度を、内部インピーダンスの位相遅れθに基づき算出される補正係数を用いて補正することで、水素濃度算出精度を高めている。
【０１０３】
図１３及び図１４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。
【０１０４】
図１３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１４は、内部インピーダンスＺＬの位相遅れθと補正係数との関係を示す図である。
【０１０５】
なお、図１３は、第１実施形態において説明した図７に置き換わるものである。また、図１３のＳ２０１〜Ｓ２０５の処理は、図７のＳ２０１〜Ｓ２０５の処理と同じであるので、詳細な説明を省略する。
【０１０６】
図１３に示すように、Ｓ２０５の処理で燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺＬから水素濃度を算出した後に、コントローラ６０はＳ２０６の処理を実行する。
【０１０７】
Ｓ２０６において、コントローラ６０は、Ｓ２０１で検出された交流電流値に既知の離算フーリエ変換処理を施して１０Ｈｚの交流電流の位相角を算出するとともに、Ｓ２０１で検出された交流電圧値に既知の離算フーリエ変換処理を施して１０Ｈｚの交流電圧の位相角を算出する。
【０１０８】
Ｓ２０７において、コントローラ６０は、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を算出、つまり内部インピーダンスの位相遅れθを算出する。
【０１０９】
Ｓ２０８において、コントローラ６０は、図１４に示す位相遅れθ−補正係数特性を参照して、内部インピーダンスの位相遅れθに基づいて補正係数を算出する。補正係数は、１よりも小さな値として算出される。
【０１１０】
なお、図１４の位相遅れθ−補正係数特性は、補正係数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。燃料電池スタック１内の水素濃度の低下により燃料電池スタック１の反応抵抗が増加することに起因して、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は水素濃度が低くなるほど大きくなる。そのため、位相遅れθ−補正係数特性は、内部インピーダンスの位相遅れθが大きくなるほど補正係数が小さくなるように設定されている。
【０１１１】
Ｓ２０９において、コントローラ６０は、Ｓ２０５で算出した水素濃度にＳ２０８で算出した補正係数を掛けて補正する。この補正後の値が、燃料電池スタック１内の水素濃度となる。
【０１１２】
上記した第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が大きくなるほど補正係数を小さく設定して、内部インピーダンスＺＬから算出される水素濃度を減少補正することで、水素濃度算出精度を高めることが可能となる。
【０１１３】
なお、図１３のＳ２０６〜Ｓ２０８では内部インピーダンスＺＬの位相遅れθを算出しその位相遅れθに基づいて補正係数を決定しているが、内部インピーダンスの位相遅れθと相関関係のある内部インピーダンスＺＬの虚部成分Ｚｉｍ（図６参照）を算出し（虚部成分算出手段）、内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍに基づいて図１４の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍ−補正係数特性から補正係数を決定してもよい。
【０１１４】
図１４に示す内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍ−補正係数特性は、補正係数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Ｚｉｍは水素濃度が低下するほど大きくなり、内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍ−補正係数特性は虚部成分Ｚｉｍが大きくなるほど補正係数が小さくなるように設定されている。
【０１１５】
（第３実施形態）
次に、図１６〜図２０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。第３実施形態による燃料電池システム１００は、内部インピーダンスの位相遅れθの算出の仕方において、第２実施形態による燃料電池システム１００と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１１６】
第２実施形態による燃料電池システム１００では、図１３のＳ２０２及びＳ２０３に示したように、燃料電池スタック１の出力信号が１０Ｈｚの交流信号となるように燃料電池スタック１を制御し、その低周波出力信号に離算フーリエ変換を施すことで内部インピーダンスの位相遅れθを算出している。
【０１１７】
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１０Ｈｚ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、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内部インピーダンス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。
【０１１８】
図１６及び図１７を参照して、周波数ずれに起因する内部インピーダンスの位相遅れの算出精度の低下について説明する。
【０１１９】
図１６は、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１６は、設定周波数が１ｋＨｚである場合を例示したものである。
【０１２０】
図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）に示すように、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、検出される交流電流及び交流電圧の周波数は設定周波数からずれてしまうことがある。
【０１２１】
図１７は、燃料電池スタック１の出力信号を離算フーリエ変換して、内部インピーダンス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。
【０１２２】
交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数１ｋＨｚからずれていない場合には、内部インピーダンスの位相遅れは真値（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１ｋＨｚ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内部インピーダンスの位相遅れを用いて燃料電池スタック１内の水素濃度を算出すると、水素濃度の精度も悪化してしまう。
【０１２３】
そこで、第３実施形態による燃料電池システム１００では、図１８に示す演算部２００を用いて内部インピーダンスの位相遅れを精度よく演算することで、水素濃度の算出精度の悪化を抑制する。
【０１２４】
図１８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。
【０１２５】
演算部２００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を制御した時に出力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。
【０１２６】
また、演算部２００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を制御した時に出力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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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を算出、つまり内部インピーダンスの位相遅れを算出する。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、内部インピーダンスの位相遅れθ［°］が算出される。なお、図１９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。
【０１２９】
図２０は、設定周波数が１ｋＨｚである場合において、演算部２００によって算出される内部インピーダンスの位相遅れを示す図である。実線は、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。
【０１３０】
図２０に示すように、演算部２００によって算出される内部インピーダンスの位相遅れは、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。
【０１３１】
図２０では設定周波数が１ｋＨｚである場合の内部インピーダンスの位相遅れについて説明したが、演算部２００によれば、設定周波数を１０Ｈｚ等の低周波数に設定した場合であってもその周波数に対応する内部インピーダンスの位相遅れの算出精度を高めることができる。
【０１３２】
したがって、第３実施形態の燃料電池システム１００によれば、演算部２００が、図１３のＳ２０６及びＳ２０７の処理に代わって、１０Ｈｚの交流出力信号に基づいて内部インピーダンスの位相遅れθを算出するので、内部インピーダンスの位相遅れθの算出精度を高めることができる。これにより、内部インピーダンスの位相遅れθから算出される補正係数を精度よく算出でき、結果として図１３のＳ２０９で算出される燃料電池スタック１の水素濃度の算出精度を向上させることが可能となる。
【０１３３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による燃料電池システム１００について説明する。第４実施形態による燃料電池システム１００は、システム始動時におけるアノード電極側の水素濃度を算出する点において、第１〜第３実施形態による燃料電池システム１００と相違する。
【０１３４】
図２１及び図２２を参照して、第４実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行するアノード電極側水素濃度算出処理について説明する。
【０１３５】
図２１は、コントローラ６０が実行するアノード電極側水素濃度算出処理を示すフローチャートである。図２２は、アノードガス供給後の水素濃度毎に設定されたガス供給前の水素濃度とアノード電極側の水素濃度との関係を示す図である。
【０１３６】
図２１に示すアノード電極側水素濃度算出処理は、アノード電極側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。
【０１３７】
Ｓ４０１において、コントローラ６０は、アノードガス及びカソードガスが燃料電池スタック１に供給される前のシステム始動時であるか否かを判定する。
【０１３８】
定常運転状態等、システム始動時ではない場合には、コントローラ６０はＳ４０２〜Ｓ４０６の処理を実行せずにアノード電極側水素濃度算出処理を終了する。一方、システム始動時である場合には、コントローラ６０はＳ４０２の処理を実行する。
【０１３９】
Ｓ４０２において、コントローラ６０は、図７の水素濃度算出処理に基づいて、アノードガス及びカソードガスが供給される前の燃料電池スタック１内の水素濃度であるガス供給前水素濃度を算出する。
【０１４０】
Ｓ４０３において、コントローラ６０は、調圧弁２３を制御して燃料電池スタック１にアノードガスを供給する。
【０１４１】
Ｓ４０４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入口圧力が基準値よりも大きくなっているか否かを判定する。この基準値は、燃料電池スタック１のアノード系内のほとんどが水素になっていることを判断できるような値に設定されている。
【０１４２】
アノード入口圧力が基準値よりも小さい場合には、コントローラ６０はアノード入口圧力が基準値よりも大きくなるまで待機する。一方、アノード入口圧力が基準値よりも大きくなっている場合には、コントローラ６０はＳ４０５の処理を実行する。
【０１４３】
Ｓ４０５において、コントローラ６０は、図７の水素濃度算出処理に基づいて、アノードガス供給後かつカソードガス供給前の燃料電池スタック１内の水素濃度であるアノードガス供給後水素濃度を算出する。アノードガス供給後水素濃度は、アノード系が水素で満たされた場合における燃料電池スタック１内の水素濃度となる。
【０１４４】
Ｓ４０６において、コントローラ６０は、図２２のガス供給前水素濃度−アノード電極側水素濃度特性を参照して、ガス供給前水素濃度及びアノードガス供給後水素濃度に基づいて、システム始動時における燃料電池スタック１のアノード電極側の水素濃度を算出する。
【０１４５】
図２２のガス供給前水素濃度−アノード電極側水素濃度特性は、アノード電極側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。ガス供給前水素濃度−アノード電極側水素濃度特性は、ガス供給前水素濃度が高くなるほどシステム始動時におけるアノード電極側水素濃度が高くなるように設定されている。また、ガス供給前水素濃度とアノード電極側水素濃度との関係はアノードガス供給後水素濃度毎に設定されており、アノードガス供給後水素濃度が高くなるほど、同ガス供給前水素濃度から求められるシステム始動時のアノード電極側水素濃度が低くなるように設定されている。
【０１４６】
上記の通り、第４実施形態による燃料電池システム１００では、アノードガス及びカソードガス供給前のガス供給前水素濃度と、アノードガス供給後かつカソードガス供給前のアノードガス供給後水素濃度とを用いることで、アノードガス供給前のシステム始動時（システム始動直後）におけるアノード電極側の水素濃度を算出することができる。
【０１４７】
次に、図２３〜図２７を参照して、システム始動時のアノード電極側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。
【０１４８】
図２３〜図２５を参照して、コントローラ６０が実行するアノードガス給排処理について説明する。図２３は、アノードガス給排処理を示すフローチャートである。図２４は、アノード電極側水素濃度とパージ弁開度との関係を示す図である。図２５は、アノード電極側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。
【０１４９】
図２３に示すアノードガス給排処理は、システム始動後において所定のタイミングで実行される。
【０１５０】
Ｓ５０１において、コントローラ６０は、図２４に示すアノード電極側水素濃度−パージ弁開度特性を参照し、図２１のＳ４０６で算出したシステム始動時のアノード電極側水素濃度に基づいてパージ弁２８の開度を決定する。
【０１５１】
図２４のアノード電極側水素濃度−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。アノード電極側水素濃度−パージ弁開度特性は、システム始動時のアノード電極側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。システム始動時のアノード電極側水素濃度が低いほど、燃料電池スタック１のアノード電極側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、アノード電極側の水素濃度が高くなるようにする。
【０１５２】
Ｓ５０２において、コントローラ６０は、Ｓ５０１で決定された開度となるようにパージ弁２８を制御する。
【０１５３】
上記したＳ５０１及びＳ５０２の処理により、燃料電池スタック１のアノード電極側における水素濃度を増加させることができ、システム始動時において燃料電池スタック１の発電効率が悪化することを抑制できる。
【０１５４】
Ｓ５０２の処理後Ｓ５０３において、コントローラ６０は、図２５に示すアノード電極側水素濃度−目標アノード入口圧力特性を参照し、図２１のＳ４０６で算出したシステム始動時のアノード電極側水素濃度に基づいて、燃料電池スタック１のアノードガス入口部における目標圧力を決定する。
【０１５５】
図２５のアノード電極側水素濃度−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。アノード電極側水素濃度−目標アノード入口圧力特性は、アノード電極側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、アノード電極側水素濃度が第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所定の最大圧力に設定され、アノード電極側水素濃度が第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所定の最小圧力に設定される。
【０１５６】
Ｓ５０４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Ｓ５０３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制御する。
【０１５７】
システム始動時において、燃料電池スタック１のアノード電極側に窒素等の不純ガスが多く存在すると、燃料電池スタック１の発電効率が低下してしまう。燃料電池システム１００では、システム始動時のアノード電極側水素濃度が低いほど目標アノード入口圧力を大きく設定するので、アノードガスの強い流れによって燃料電池スタック１内にとどまっている不純ガスをバッファタンク２６に排出できる。Ｓ５０３及びＳ５０４の処理により、燃料電池スタック１のアノード電極側における水素濃度を増加させることができ、システム始動時において燃料電池スタック１の発電効率が悪化することを抑制できる。
【０１５８】
図２６及び図２７を参照して、コントローラ６０が実行する始動時出力制限処理について説明する。図２６は、始動時出力制限処理を示すフローチャートである。図２７は、アノード電極側水素濃度と上限電流値との関係を示す図である。
【０１５９】
図２６に示す始動時出力制限処理は、システム始動後から定常運転となるまでの間、所定演算周期（例えば１００マイクロ秒周期）で実行される。
【０１６０】
Ｓ６０１において、コントローラ６０は、図２７に示すアノード電極側水素濃度−上限電流値特性を参照し、図２１のＳ４０６で算出したシステム始動時のアノード電極側水素濃度に基づいて燃料電池スタック１が出力可能な上限電流値を算出する。
【０１６１】
図２７のアノード電極側水素濃度−上限電流値特性は、燃料電池スタック１が出力可能な上限電流値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。アノード電極側水素濃度−上限電流値特性は、システム始動時のアノード電極側水素濃度が所定濃度以下である場合に、アノード電極側水素濃度が低くなるほど燃料電池スタック１の上限電流値が小さくなるように設定されている。
【０１６２】
Ｓ６０２において、コントローラ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して上限電流値以下での燃料電池スタック１の発電制御を実行し、始動時出力制限処理を終了する。
【０１６３】
システム始動時においてアノード電極側水素濃度が低く、アノード電極側に窒素等の不純ガスが多く存在すると推定される場合には、燃料電池スタック１の上限電流値を制限して通常よりも低く設定するので、燃料電池スタック１での発電不良の発生を防止することが可能となる。また、システム始動時においてアノード電極側水素濃度が高い場合には、燃料電池スタック１の上限電流値を所定の最大電流値に設定するので、車両の動力性能を低下させることがない。
【０１６４】
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。
【符号の説明】
【０１６５】
１００  燃料電池システム
１      燃料電池スタック
５      インバータ
６      駆動モータ
７      バッテリ
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（排出通路）
２８    パージ弁（排出流量調整部）
３１    カソードガス供給通路
３２    フィルタ
３３    コンプレッサ
３４    圧力センサ
３５    カソードガス排出通路
３６    調圧弁
６０    コントローラ
６１    電流センサ
６２    電圧センサ
２００  演算部（位相特性算出手段）
Ｓ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ２０１  出力制御手段
Ｓ１０７、Ｓ２０４  インピーダンス算出手段
Ｓ２０５  水素濃度算出手段
Ｓ２０７  位相特性算出手段
Ｓ２０９  濃度補正手段
Ｓ３０３〜Ｓ３０５  アノードガス供給制御手段
Ｓ３０８，Ｓ３０９  カソードガス供給制御手段
Ｓ４０６  アノード電極側水素濃度算出手段
Ｓ５０１，Ｓ５０２  排出流量制御手段
Ｓ５０３，Ｓ５０４  アノードガス供給制御手段
Ｓ６０１，Ｓ６０２  上限出力制限手段
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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