JP2013080575A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of calculating a hydrogen concentration in a fuel cell with a simple configuration.SOLUTION: A fuel cell system 100 having a fuel cell 1 generating power by using hydrogen that is an anode gas has: phase characteristic calculation means S204 calculating phase characteristics of an internal impedance of the fuel cell 1 on the basis of an output signal of the fuel cell 1; and hydrogen concentration calculation means S205 calculating concentration of hydrogen in the fuel cell 1 on the basis of the phase characteristics of the internal impedance.

Description

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。   The present invention relates to a fuel cell system that generates fuel by supplying an anode gas and a cathode gas.

燃料電池システムでは、システム運転状態等を把握するため、燃料電池スタック内におけるアノードガス（水素）の濃度を算出している。特許文献１には、アノード系内の水素の圧力損失及び水蒸気や窒素等の不純ガスの組成等に基づいて、燃料電池スタック内の水素濃度を算出する燃料電池システムが開示されている。   In the fuel cell system, the concentration of anode gas (hydrogen) in the fuel cell stack is calculated in order to grasp the system operation state and the like. Patent Document 1 discloses a fuel cell system that calculates the hydrogen concentration in the fuel cell stack based on the pressure loss of hydrogen in the anode system and the composition of impure gas such as water vapor and nitrogen.

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。   Other related known inventions include those described in Patent Documents 2-7.

特開２００５−３１０６５３号公報JP 2005-310653 A 特開２００４−１７２０２６号公報JP 2004-172026 A 特開２００８−２１８１０６号公報JP 2008-218106 A 特開２００５−３２７５９７号公報JP 2005-327597 A 特開２００６−０８６１１７号公報JP 2006-086117 A 特開２００６−２０９９９６号公報JP 2006-209996 A 特開２００６−１５６０５８号公報JP 2006-156058 A

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素還流通路に設けられた逆止弁の上流側及び下流側の圧力に基づいて水素の圧力損失を検出するための差圧計が必要となり、水素濃度を算出するシステム構成が比較的複雑なものとなっている。   However, the fuel cell system described in Patent Document 1 requires a differential pressure gauge for detecting the pressure loss of hydrogen based on the pressure upstream and downstream of the check valve provided in the hydrogen recirculation passage. The system configuration for calculating the concentration is relatively complicated.

そこで、本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で、燃料電池内の水素濃度を算出可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of calculating the hydrogen concentration in the fuel cell with a simple configuration.

本発明は、アノードガスである水素を用いて発電する燃料電池を備える燃料電池システムである。燃料電池システムは、燃料電池の出力信号に基づいて燃料電池の内部インピーダンスの位相特性を算出する位相特性算出手段と、内部インピーダンスの位相特性に基づいて燃料電池内の水素濃度を算出する水素濃度算出手段と、を備えることを特徴とする。   The present invention is a fuel cell system including a fuel cell that generates power using hydrogen as an anode gas. The fuel cell system includes a phase characteristic calculation means for calculating a phase characteristic of the internal impedance of the fuel cell based on the output signal of the fuel cell, and a hydrogen concentration calculation for calculating the hydrogen concentration in the fuel cell based on the phase characteristic of the internal impedance. And means.

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力信号から得られる燃料電池の内部インピーダンスの位相特性に基づいて燃料電池内における水素濃度を算出するように構成されているので、簡素な構成で燃料電池内の水素濃度の算出が可能となる。   The fuel cell system of the present invention is configured to calculate the hydrogen concentration in the fuel cell based on the phase characteristic of the internal impedance of the fuel cell obtained from the output signal of the fuel cell, so the fuel cell with a simple configuration The hydrogen concentration in the inside can be calculated.

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。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 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。It is a timing chart for explaining pulsation operation in a fuel cell system. 燃料電池の等価回路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the equivalent circuit of a fuel cell. 燃料電池システムが備えるコントローラが実行する燃料電池スタックの内部インピーダンス算出処理のフローチャートである。It is a flowchart of the internal impedance calculation process of the fuel cell stack which the controller with which a fuel cell system is provided performs. 逆ノッチフィルタの周波数−振幅特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency-amplitude characteristic of a reverse notch filter. １ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタックの内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。It is the figure which showed on the complex plane the internal impedance of the fuel cell stack calculated based on the alternating current output signal of 1 kHz. 燃料電池スタック内の水素濃度と内部インピーダンスの位相遅れとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the hydrogen concentration in a fuel cell stack, and the phase delay of internal impedance. 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。It is a flowchart which shows the hydrogen concentration calculation process which a controller performs. 交流電流に対する交流電圧の位相遅れと、水素濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the phase delay of the alternating voltage with respect to alternating current, and hydrogen concentration. コントローラが実行する不純ガス排出処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the impure gas discharge process which a controller performs. 水素濃度とパージ弁開度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between hydrogen concentration and a purge valve opening degree. システム始動時にコントローラが実行する水素供給処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the hydrogen supply process which a controller performs at the time of system starting. システム始動時における水素濃度と目標アノード入口圧力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the hydrogen concentration at the time of system start-up, and target anode inlet pressure. システム始動時における水素濃度と圧力上昇速度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the hydrogen concentration at the time of system starting, and a pressure rise speed. システム始動後発電中にコントローラが実行する水素供給処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the hydrogen supply process which a controller performs during electric power generation after a system start. 発電中における水素濃度と目標アノード入口下限圧力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the hydrogen concentration in power generation, and a target anode inlet minimum pressure. 発電中における水素濃度とアノード圧力上昇代との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the hydrogen concentration during an electric power generation, and an anode pressure rise allowance. １ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタックの内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。It is the figure which showed on the complex plane the internal impedance of the fuel cell stack calculated based on the alternating current output signal of 1 kHz. 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。It is a flowchart which shows the hydrogen concentration calculation process which the controller of the fuel cell system by 2nd Embodiment performs. 燃料電池スタックの内部インピーダンスの虚部成分と、水素濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the imaginary part component of the internal impedance of a fuel cell stack, and hydrogen concentration. 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。It is a figure which shows the relationship between a frequency, an alternating current, and an alternating voltage. 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。It is a figure which shows the calculation result when the alternating current and alternating current voltage which are the output signals of a fuel cell stack are divided Fourier-transformed, and the phase delay of the alternating current voltage with respect to alternating current is calculated. 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。It is a block diagram which shows the calculating part with which the controller of the fuel cell system by 3rd Embodiment is provided. 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。It is the figure which represented typically the calculation content in the division part of a calculating part, an inverse cosine calculation part, and a unit conversion gain part. 演算部によって算出される交流電流に対する交流電圧の位相遅れを示す図である。It is a figure which shows the phase delay of the alternating voltage with respect to the alternating current calculated by the calculating part. アノードガス循環型の燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of an anode gas circulation type fuel cell system. アノードガス循環型の燃料電池システムのコントローラが実行するアノードガス循環処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the anode gas circulation process which the controller of an anode gas circulation type fuel cell system performs. 水素濃度と循環ポンプ回転速度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between hydrogen concentration and a circulating pump rotational speed.

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。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

（第１実施形態）
燃料電池は、電解質膜を燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とで挟んで構成されており、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電気化学反応は、以下の通りである。 (First embodiment)
A fuel cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode as a fuel electrode and a cathode electrode as an oxidant electrode, and contains an anode gas containing hydrogen supplied to the anode electrode and an oxygen supplied to the cathode electrode. Power is generated using a cathode gas containing The electrochemical reaction that proceeds in both the anode and cathode electrodes is as follows.

アノード電極： ２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ− ・・・（１）
カソード電極： ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ ・・・（２） Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Cathode electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)

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。   Due to the electrochemical reaction of (1) and (2), the fuel cell generates an electromotive force of about 1 V (volt).

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。   When such a fuel cell is used as a power source for automobiles, a large amount of electric power is required, so that it is used as a fuel cell stack in which several hundred fuel cells are stacked. Then, a fuel cell system for supplying anode gas and cathode gas to the fuel cell stack is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.

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。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 100 according to a first embodiment of the present invention.

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。   The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 1, an anode gas supply device 2, a cathode gas supply device 3, a cooling device 4, an inverter 5, a drive motor 6, a battery 7, and a DC / DC converter 8. And a controller 60.

燃料電池スタック１は、所定枚数の燃料電池１０を積層して構成されている。燃料電池スタック１は、アノードガスとしての水素及びカソードガスとしての空気の供給を受けて発電し、車両を駆動する駆動モータ６等の各種電装部品に電力を供給する。燃料電池スタック１は、電力を取り出すための出力端子として、アノード側端子１１とカソード側端子１２とを有している。   The fuel cell stack 1 is configured by stacking a predetermined number of fuel cells 10. The fuel cell stack 1 generates power by receiving supply of hydrogen as an anode gas and air as a cathode gas, and supplies power to various electrical components such as a drive motor 6 that drives a vehicle. The fuel cell stack 1 has an anode side terminal 11 and a cathode side terminal 12 as output terminals for taking out electric power.

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。   The anode gas supply device 2 includes a high pressure tank 21, an anode gas supply passage 22, a pressure regulating valve 23, a pressure sensor 24, an anode gas discharge passage 25, a buffer tank 26, a purge passage 27, and a purge valve 28. .

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。   The high-pressure tank 21 is a container that stores hydrogen as the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 while maintaining the high-pressure state.

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。   The anode gas supply passage 22 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 21 to the fuel cell stack 1. One end of the anode gas supply passage 22 is connected to the high-pressure tank 21, and the other end is connected to the anode gas inlet of the fuel cell stack 1.

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。   The pressure regulating valve 23 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and is installed in the anode gas supply passage 22. The pressure regulating valve 23 adjusts the high-pressure anode gas discharged from the high-pressure tank 21 to a predetermined pressure. The opening degree of the pressure regulating valve 23 is controlled by the controller 60.

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。   The pressure sensor 24 is provided in the anode gas supply passage 22 on the downstream side of the pressure regulating valve 23. The pressure sensor 24 detects the pressure of the anode gas flowing through the anode gas supply passage 22. The pressure of the anode gas detected by the pressure sensor 24 represents the pressure of the entire anode system including the buffer tank 26 and the anode gas flow path inside the fuel cell stack 1.

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。   The anode gas discharge passage 25 is a passage that connects the fuel cell stack 1 and the buffer tank 26. One end of the anode gas discharge passage 25 is connected to the anode gas outlet of the fuel cell stack 1, and the other end is connected to the upper portion of the buffer tank 26. The anode gas discharge passage 25 contains surplus anode gas that has not been used for the electrochemical reaction, nitrogen, water vapor, etc. that have leaked (crossed over) from the cathode side to the anode gas flow path in the fuel cell stack 1. A mixed gas with the impure gas (hereinafter referred to as “anode off gas”) is discharged.

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。   The buffer tank 26 is a container that temporarily stores the anode off gas flowing through the anode gas discharge passage 25. A part of the water vapor contained in the anode off-gas is condensed in the buffer tank 26 to become condensed water, and is separated from the anode off-gas.

パージ通路２７は、バッファタンク２６を外部に連通させる排出通路である。パージ通路２７の一端はバッファタンク２６の下部に接続され、パージ通路２７の他端は開口端として形成される。バッファタンク２６に蓄えられたアノードオフガスは、後述のカソードガス排出通路３５からパージ通路２７に流入するカソードオフガスによって稀釈され、凝縮水とともにパージ通路２７の開口端から外部へ排出される。   The purge passage 27 is a discharge passage that allows the buffer tank 26 to communicate with the outside. One end of the purge passage 27 is connected to the lower portion of the buffer tank 26, and the other end of the purge passage 27 is formed as an open end. The anode off gas stored in the buffer tank 26 is diluted by the cathode off gas flowing into the purge passage 27 from a cathode gas discharge passage 35 (described later), and discharged together with condensed water from the opening end of the purge passage 27 to the outside.

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。   The purge valve 28 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and is installed in the purge passage 27. By adjusting the opening of the purge valve 28, the flow rate of the anode off gas discharged from the purge passage 27 to the outside is adjusted. The opening degree of the purge valve 28 is controlled by the controller 60.

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。   The cathode gas supply device 3 includes a cathode gas supply passage 31, a filter 32, a compressor 33, a pressure sensor 34, a cathode gas discharge passage 35, and a pressure regulating valve 36.

カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスである空気が流れる通路である。カソードガス供給通路３１の一端はフィルタ３２に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口部に接続される。   The cathode gas supply passage 31 is a passage through which air that is cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 flows. One end of the cathode gas supply passage 31 is connected to the filter 32, and the other end is connected to the cathode gas inlet of the fuel cell stack 1.

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。   The filter 32 removes foreign matters such as dust and dust contained in the air taken from the outside. The air from which the foreign matter has been removed by the filter 32 becomes the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1.

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。   The compressor 33 is installed in the cathode gas supply passage 31 between the filter 32 and the fuel cell stack 1. The compressor 33 pumps the cathode gas taken in through the filter 32 to the fuel cell stack 1.

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。   The pressure sensor 34 is provided in the cathode gas supply passage 31 on the downstream side of the compressor 33. The pressure sensor 34 detects the pressure of the cathode gas flowing through the cathode gas supply passage 31. The pressure of the cathode gas detected by the pressure sensor 34 represents the pressure of the entire cathode system including the cathode gas flow path and the like inside the fuel cell stack 1.

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。   The cathode gas discharge passage 35 is a passage that communicates the fuel cell stack 1 and the purge passage 27 of the anode gas supply device 2. One end of the cathode gas discharge passage 35 is connected to the cathode gas outlet of the fuel cell stack 1, and the other end is connected to the purge passage 27 on the downstream side of the purge valve 28. The cathode gas that has not been used for the electrochemical reaction in the fuel cell stack 1 is discharged to the purge passage 27 via the cathode gas discharge passage 35 as a cathode off gas.

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。   The pressure regulating valve 36 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and is installed in the cathode gas discharge passage 35. The opening of the pressure regulating valve 36 is controlled by the controller 60 to adjust the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1.

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。   The cooling device 4 is a device for cooling the fuel cell stack 1 with cooling water. The cooling device 4 includes a cooling water circulation passage 41, a cooling water circulation pump 42, a radiator 43, and cooling water temperature sensors 44 and 45.

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。   The cooling water circulation passage 41 is a passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 1 flows. One end of the coolant circulation passage 41 is connected to the coolant inlet portion of the fuel cell stack 1, and the other end is connected to the coolant outlet portion of the fuel cell stack 1.

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。   The cooling water circulation pump 42 is a pressure feeding device that circulates the cooling water, and is installed in the cooling water circulation passage 41.

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。   The radiator 43 is a radiator for cooling the cooling water discharged from the fuel cell stack 1, and is installed in the cooling water circulation passage 41 upstream of the cooling water circulation pump 42.

冷却水温度センサ４４，４５は、冷却水の温度を検出するセンサである。冷却水温度センサ４４は、燃料電池スタック１の冷却水入口部寄りの冷却水循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度を検出する。これに対して、冷却水温度センサ４５は、燃料電池スタック１の冷却水出口部寄りの冷却水循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。   The cooling water temperature sensors 44 and 45 are sensors that detect the temperature of the cooling water. The cooling water temperature sensor 44 is provided in the cooling water circulation passage 41 near the cooling water inlet of the fuel cell stack 1 and detects the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell stack 1. In contrast, the cooling water temperature sensor 45 is provided in the cooling water circulation passage 41 near the cooling water outlet of the fuel cell stack 1 and detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell stack 1.

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。   The inverter 5 includes a switch unit 51 and a smoothing capacitor 52, and is electrically connected to the fuel cell stack 1 via the anode side terminal 11 and the cathode side terminal 12. The switch unit 51 includes a plurality of switching elements, and converts direct current into alternating current or alternating current into direct current. The smoothing capacitor 52 is connected in parallel to the fuel cell stack 1 and suppresses ripples caused by switching or the like in the switch unit 51.

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。   The drive motor 6 is a three-phase AC motor, and is operated by an AC current supplied from the inverter 5 to generate torque for driving the vehicle.

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。   The battery 7 is electrically connected to the drive motor 6 and the fuel cell stack 1 via the DC / DC converter 8. The battery 7 is a chargeable / dischargeable secondary battery such as a lithium ion secondary battery.

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。   The DC / DC converter 8 is electrically connected to the fuel cell stack 1. The DC / DC converter 8 is a bidirectional voltage converter that raises and lowers the voltage of the fuel cell stack 1, and obtains a DC output from a DC input and converts the input voltage into an arbitrary output voltage.

コントローラ６０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６０には、圧力センサ２４，３４や冷却水温度センサ４４，４５の他に、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ６１や燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ６２、車両に備えられるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ６３、バッテリ７の充電量を検出するＳＯＣセンサ６４からの検出信号が、燃料電池システム１００の運転状態を検出するための信号として入力する。   The controller 60 is configured by a microcomputer including a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface). In addition to the pressure sensors 24 and 34 and the coolant temperature sensors 44 and 45, the controller 60 includes a current sensor 61 that detects the output current of the fuel cell stack 1 and a voltage sensor 62 that detects the output voltage of the fuel cell stack 1. Detection signals from an accelerator pedal sensor 63 that detects the amount of depression of an accelerator pedal provided in the vehicle and an SOC sensor 64 that detects the amount of charge of the battery 7 are input as signals for detecting the operating state of the fuel cell system 100. .

コントローラ６０は、これらの入力信号に基づいて調圧弁２３を周期的に開閉して、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行う。アノードガス非循環型の燃料電池システム１００の場合、調圧弁２３を開いたままにして高圧タンク２１から燃料電池スタック１にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック１から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスがパージ通路２７を介して外部へ排出され続けてしまうので、アノードガスを無駄に使用することとなる。   Based on these input signals, the controller 60 periodically opens and closes the pressure regulating valve 23 to perform pulsation operation to periodically increase and decrease the anode pressure. In the case of the anode gas non-circulation type fuel cell system 100, if the anode gas is continuously supplied from the high-pressure tank 21 to the fuel cell stack 1 with the pressure regulating valve 23 kept open, the fuel cell stack 1 is not discharged. Since the anode off gas containing the used anode gas continues to be discharged to the outside through the purge passage 27, the anode gas is wasted.

そこで、本実施形態では、調圧弁２３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うのである。脈動運転を行うことで、バッファタンク２６に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック１に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができ、外部へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。   Therefore, in the present embodiment, the pulsation operation is performed in which the pressure regulating valve 23 is periodically opened and closed to periodically increase and decrease the anode pressure. By performing the pulsation operation, the anode off gas accumulated in the buffer tank 26 can be caused to flow back to the fuel cell stack 1 when the anode pressure is reduced. Thereby, the anode gas in the anode off-gas can be reused, the amount of the anode gas discharged to the outside can be reduced, and waste can be eliminated.

図２を参照して、燃料電池システム１００での脈動運転について説明する。図２は、燃料電池システム１００の定常運転時における脈動運転について説明する図である。   A pulsation operation in the fuel cell system 100 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining pulsation operation during steady operation of the fuel cell system 100.

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。   As shown in FIG. 2A, the controller 60 calculates the target output of the fuel cell stack 1 based on the operating state of the fuel cell system 100, and sets the upper limit value and the lower limit value of the anode pressure according to the target output. To do. Then, the anode pressure is periodically increased or decreased between the upper limit value and the lower limit value of the set anode pressure.

具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図２（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁２３を開く。この状態のときは、アノードガスは高圧タンク２１から燃料電池スタック１に供給され、バッファタンク２６へと排出される。   Specifically, when the anode pressure reaches the lower limit at time t1, as shown in FIG. 2B, the pressure regulating valve 23 is opened to an opening at which at least the anode pressure can be increased to the upper limit. In this state, the anode gas is supplied from the high-pressure tank 21 to the fuel cell stack 1 and discharged to the buffer tank 26.

時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図２（Ｂ）に示すように調圧弁２３を全閉とし、高圧タンク２１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止する。そうすると、前述した（１）の電気化学反応によって、燃料電池スタック１内のアノードガス流路に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費され、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。   When the anode pressure reaches the upper limit at time t2, the pressure regulating valve 23 is fully closed as shown in FIG. 2B, and the supply of anode gas from the high-pressure tank 21 to the fuel cell stack 1 is stopped. Then, the anode gas left in the anode gas flow path in the fuel cell stack 1 is consumed over time due to the electrochemical reaction (1) described above, and the anode pressure is reduced by the amount of consumption of the anode gas.

燃料電池スタック１内のアノードガスがある程度消費されると、バッファタンク２６の圧力が一時的に燃料電池スタック１のアノードガス流路の圧力よりも高くなるため、バッファタンク２６から燃料電池スタック１へとアノードオフガスが逆流する。その結果、燃料電池スタック１のアノードガス流路に残されたアノードガスと、バッファタンク２６から逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費される。   When the anode gas in the fuel cell stack 1 is consumed to some extent, the pressure in the buffer tank 26 temporarily becomes higher than the pressure in the anode gas flow path of the fuel cell stack 1. And the anode off-gas flows backward. As a result, the anode gas left in the anode gas flow path of the fuel cell stack 1 and the anode gas in the anode off-gas flowing backward from the buffer tank 26 are consumed over time.

時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１の時と同様に調圧弁２３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁２３を全閉とする。このように調圧弁２３を周期的に開閉することで、脈動運転が行われる。   When the anode pressure reaches the lower limit at time t3, the pressure regulating valve 23 is opened in the same manner as at time t1. When the anode pressure reaches the upper limit again at time t4, the pressure regulating valve 23 is fully closed. In this way, the pulsation operation is performed by periodically opening and closing the pressure regulating valve 23.

上記した燃料電池システム１００では、システム運転状態を正常に維持するため、燃料電池スタック１の内部インピーダンス（燃料電池１０の電解質膜の内部インピーダンス）を算出して燃料電池スタック１の含水量（燃料電池１０の電解質膜の湿潤度）等を管理したり、燃料電池スタック１内におけるアノードガス濃度（以下、水素濃度という。）を算出してアノード系内における不純ガスの蓄積状態等を管理したりする。   In the fuel cell system 100 described above, in order to maintain the system operating state normally, the internal impedance of the fuel cell stack 1 (internal impedance of the electrolyte membrane of the fuel cell 10) is calculated and the water content (fuel cell) of the fuel cell stack 1 is calculated. 10) and the like, or the anode gas concentration (hereinafter referred to as hydrogen concentration) in the fuel cell stack 1 is calculated to manage the accumulation state of impure gas in the anode system. .

まず、図３〜図５を参照して、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの算出について説明する。   First, calculation of the internal impedance of the fuel cell stack 1 will be described with reference to FIGS.

図３は、燃料電池（燃料電池スタック）の等価回路を示す模式図である。図４は、コントローラ６０が実行する燃料電池スタック１の内部インピーダンス算出処理のフローチャートである。図５は、逆ノッチフィルタの周波数−振幅特性を示す図である。   FIG. 3 is a schematic diagram showing an equivalent circuit of a fuel cell (fuel cell stack). FIG. 4 is a flowchart of the internal impedance calculation process of the fuel cell stack 1 executed by the controller 60. FIG. 5 is a diagram illustrating the frequency-amplitude characteristics of the inverse notch filter.

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。   As shown in FIG. 3, the equivalent circuit of the fuel cell includes membrane resistance Rmem, charge transfer resistance Ra and electric double layer capacitance Ca on the anode electrode side, charge transfer resistance Rc and electric double layer capacitance Cc on the cathode electrode side. Can be represented by In the fuel cell, since the anode electrode is more susceptible to electrode reaction, the amount of platinum supported on the catalyst layer of the anode electrode is smaller than the amount of platinum supported on the catalyst layer of the cathode electrode, and the electric double layer capacity Ca on the anode side is the cathode. It is set smaller than the electric double layer capacitance Cc on the side.

このような等価回路に、例えば周波数が１ｋＨｚ程度の高周波交流電流（高周波交流信号）を重畳した場合には、電荷移動抵抗Ｒａと電気二重層容量Ｃａとの合成インピーダンス及び電荷移動抵抗Ｒｃと電気二重層容量Ｃｃとの合成インピーダンスを無視でき、電圧振幅値ΔＶを電流振幅値ΔＩを除することで、燃料電池の膜抵抗Ｒｍｅｍ、つまり燃料電池の内部インピーダンスＺを算出することができる。   For example, when a high-frequency alternating current (high-frequency alternating current signal) having a frequency of about 1 kHz is superimposed on such an equivalent circuit, the combined impedance of the charge transfer resistor Ra and the electric double layer capacitor Ca, the charge transfer resistor Rc and the electric double resistor. The combined impedance with the multilayer capacitance Cc can be ignored, and the membrane resistance Rmem of the fuel cell, that is, the internal impedance Z of the fuel cell can be calculated by dividing the voltage amplitude value ΔV by the current amplitude value ΔI.

図４を参照して、燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行する内部インピーダンス算出処理について説明する。燃料電池スタック１の内部インピーダンス算出処理は、従来から知られている交流インピーダンス法に基づくものである。内部インピーダンス算出処理は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの算出が必要となる所定タイミングで実行される。   With reference to FIG. 4, the internal impedance calculation process executed by the controller 60 of the fuel cell system 100 will be described. The internal impedance calculation process of the fuel cell stack 1 is based on the conventionally known AC impedance method. The internal impedance calculation process is executed at a predetermined timing that requires calculation of the internal impedance of the fuel cell stack 1.

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。   In S101 (step 101), the controller 60 sets, as the current target fuel cell voltage, a value obtained by adding an AC voltage value of 1 kHz to the target fuel cell voltage of the fuel cell stack 1 set according to the vehicle operating state. .

Ｓ１０２において、コントローラ６０は、Ｓ１０１で設定した目標燃料電池電圧となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御することで、燃料電池の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含んだ交流電圧及び交流電流となる。   In S102, the controller 60 controls the DC / DC converter 8 so that the target fuel cell voltage set in S101 is obtained. By controlling the DC / DC converter 8, the output signal of the fuel cell becomes an alternating voltage and alternating current including a frequency of 1 kHz.

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。   In S103, the controller 60 detects the output current value of the fuel cell stack 1 using the current sensor 61, and detects the output voltage value of the fuel cell stack 1 using the voltage sensor 62.

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。   In S104, the controller 60 extracts the 1 kHz component of the alternating current value and the alternating voltage value detected in S103 using an inverse notch filter, and calculates the alternating current value and the alternating voltage value at 1 kHz. As shown in FIG. 5, the inverse notch filter is a filter having frequency-amplitude characteristics in which the passband center is set to 1 kHz.

Ｓ１０５において、コントローラ６０は、交流電流値の絶対値を１００ｍｓ間積算して、電流積算値を算出する。   In S105, the controller 60 calculates an integrated current value by integrating the absolute value of the alternating current value for 100 ms.

Ｓ１０６において、コントローラ６０は、交流電圧値の絶対値を１００ｍｓ間積算して、電圧積算値を算出する。   In S106, the controller 60 calculates the voltage integrated value by integrating the absolute value of the AC voltage value for 100 ms.

Ｓ１０７において、コントローラ６０は、Ｓ１０６で算出した電圧積算値をＳ１０５で算出した電流積算値で除し、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを算出して、内部インピーダンス算出処理を終了する。   In S107, the controller 60 divides the integrated voltage value calculated in S106 by the integrated current value calculated in S105, calculates the internal impedance Z of the fuel cell stack 1, and ends the internal impedance calculation process.

本願出願人は、上記のように算出される燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺと、燃料電池スタック１内の水素濃度との間に、図６及び図７に示すような相関があることを見出した。   The present applicant has found that there is a correlation as shown in FIGS. 6 and 7 between the internal impedance Z of the fuel cell stack 1 calculated as described above and the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1. It was.

図６は、１ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタック１の内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。横軸は内部インピーダンスの実部であり、縦軸は内部インピーダンスの虚部である。図７は、燃料電池スタック１内の水素濃度と内部インピーダンスの位相遅れθとの関係を示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing the internal impedance of the fuel cell stack 1 calculated based on the 1 kHz AC output signal on a complex plane. The horizontal axis is the real part of the internal impedance, and the vertical axis is the imaginary part of the internal impedance. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 and the phase delay θ of the internal impedance.

図６及び図７に示すように、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど、出力される交流電流に対する内部インピーダンスＺの位相遅れθが大きくなる。この位相遅れは、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下することで、図３におけるアノード電極側の電荷移動抵抗Ｒａが増加し電気二重層容量Ｃａにも交流電流が流れるようになって、電気二重層容量Ｃａ、Ｃｃの合成値が小さくなることに起因して生じるものである。   As shown in FIGS. 6 and 7, as the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 decreases, the phase delay θ of the internal impedance Z with respect to the output alternating current increases. This phase lag is caused by a decrease in the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1, which increases the charge transfer resistance Ra on the anode electrode side in FIG. 3 and causes an alternating current to flow through the electric double layer capacitance Ca. This is caused by a decrease in the combined value of the double layer capacities Ca and Cc.

本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１内における水素濃度と、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れとに相関があることを利用して、燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。   In the fuel cell system 100 of the present embodiment, the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 is determined by utilizing the correlation between the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 and the phase delay of the internal impedance of the fuel cell stack 1. calculate.

図８及び図９を参照して、燃料電池スタック１内の水素濃度の算出について説明する。図８は、コントローラ６０が実行する水素濃度算出処理を示すフローチャートである。図９は、１ｋＨｚにおける交流電流に対する交流電圧の位相遅れと、水素濃度との関係を示す図である。   Calculation of the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a flowchart showing a hydrogen concentration calculation process executed by the controller 60. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the phase lag of the AC voltage with respect to the AC current at 1 kHz and the hydrogen concentration.

図８に示す水素濃度算出処理は、内部インピーダンス算出処理の実行後や水素濃度の算出が必要となる所定タイミングで実行される。   The hydrogen concentration calculation process shown in FIG. 8 is executed after the internal impedance calculation process or at a predetermined timing when the hydrogen concentration needs to be calculated.

Ｓ２０１において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの交流信号を含むようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御して、電流センサ６１により交流電流値を検出し、電圧センサ６２により交流電圧値を検出する。   In S201, the controller 60 controls the DC / DC converter 8 so that the output signal of the fuel cell stack 1 includes an AC signal of 1 kHz, detects the AC current value by the current sensor 61, and detects the AC voltage by the voltage sensor 62. Detect value.

Ｓ２０２において、コントローラ６０は、検出された交流電流値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電流の位相角を算出する。   In S202, the controller 60 performs a known Fourier transform process on the detected alternating current value, and calculates the phase angle of the alternating current at 1 kHz.

Ｓ２０３において、コントローラ６０は、検出された交流電圧値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電圧の位相角を算出する。   In S203, the controller 60 performs a known Fourier transform process on the detected AC voltage value to calculate the phase angle of the AC voltage at 1 kHz.

Ｓ２０４において、コントローラ６０は、算出された交流電流の位相角及び交流電圧の位相角に基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθを算出する。この交流電流に対する交流電圧の位相遅れθは、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れに相当するものである。   In S204, the controller 60 calculates the phase delay θ of the AC voltage with respect to the AC current based on the calculated phase angle of the AC current and the phase angle of the AC voltage. The phase delay θ of the AC voltage with respect to the AC current corresponds to the phase delay of the internal impedance of the fuel cell stack 1.

Ｓ２０５において、コントローラ６０は、図９に示す位相遅れθ−水素濃度特性を参照し、Ｓ２０４で算出した交流電流に対する交流電圧の位相遅れθに基づいて燃料電池スタック１内における水素濃度を算出して、水素濃度算出処理を終了する。   In S205, the controller 60 refers to the phase delay θ-hydrogen concentration characteristic shown in FIG. 9 and calculates the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 based on the phase delay θ of the AC voltage with respect to the AC current calculated in S204. Then, the hydrogen concentration calculation process is terminated.

なお、図９の位相遅れθ−水素濃度特性は、燃料電池スタック１内における水素濃度を算出するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。位相遅れθ−水素濃度特性は、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθが小さくなるほど、水素濃度が高くなるように設定されている。   Note that the phase delay θ-hydrogen concentration characteristic in FIG. 9 is data used for calculating the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 and is set in advance. The phase delay θ-hydrogen concentration characteristic is set so that the hydrogen concentration increases as the phase delay θ of the AC voltage with respect to the AC current decreases.

次に、図１０〜図１７を参照して、算出された水素濃度に基づいて、コントローラ６０が実行する各種処理について説明する。   Next, various processes executed by the controller 60 based on the calculated hydrogen concentration will be described with reference to FIGS.

図１０及び図１１を参照して、燃料電池システム１００におけるアノード系内の不純ガスの排出処理について説明する。図１０は、コントローラ６０が実行する不純ガス排出処理を示すフローチャートである。図１１は、水素濃度とパージ弁開度との関係を示す図である。   With reference to FIG.10 and FIG.11, the discharge process of the impure gas in the anode system in the fuel cell system 100 is demonstrated. FIG. 10 is a flowchart showing an impure gas discharge process executed by the controller 60. FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the hydrogen concentration and the purge valve opening.

図１０に示す不純ガス排出処理は、イグニッションスイッチがオンされてからオフされるまでの間、所定演算周期（例えば１００マイクロ秒周期）で実行される。   The impure gas discharge process shown in FIG. 10 is executed at a predetermined calculation cycle (for example, a cycle of 100 microseconds) from when the ignition switch is turned on to when it is turned off.

Ｓ３０１において、コントローラ６０は、図１１に示す水素濃度−パージ弁開度特性を参照し、水素濃度算出処理で算出された燃料電池スタック１内の水素濃度に基づいてパージ弁２８の開度を決定する。   In S301, the controller 60 refers to the hydrogen concentration-purge valve opening characteristic shown in FIG. 11 and determines the opening of the purge valve 28 based on the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 calculated by the hydrogen concentration calculation process. To do.

図１１の水素濃度−パージ弁開度特性は、パージ弁２８の開度を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−パージ弁開度特性は、水素濃度が低下するほど、パージ弁２８の開度が大きくなるように設定されている。燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど、燃料電池スタック１内に窒素等の不純ガスが多く存在していると推定されるため、パージ弁２８の開度を大きくして外部に排出されるアノードオフガスの流量を増加させることで、バッファタンク２６から燃料電池スタック１内に不純ガスが逆流することを抑制する。   The hydrogen concentration-purge valve opening characteristic in FIG. 11 is data used for determining the opening of the purge valve 28 and is set in advance. The hydrogen concentration-purge valve opening characteristic is set so that the opening of the purge valve 28 increases as the hydrogen concentration decreases. As the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 decreases, it is presumed that more impurity gas such as nitrogen is present in the fuel cell stack 1, so the opening of the purge valve 28 is increased and discharged to the outside. By increasing the flow rate of the anode off gas, it is possible to prevent the impure gas from flowing backward from the buffer tank 26 into the fuel cell stack 1.

Ｓ３０２において、コントローラ６０は、Ｓ３０１で決定された開度となるようにパージ弁２８を制御して、不純ガス排出処理を終了する。   In S302, the controller 60 controls the purge valve 28 to achieve the opening determined in S301, and ends the impure gas discharge process.

上記した不純ガス排出処理により、燃料電池スタック１内における水素濃度の低下を防ぐことができ、燃料電池スタック１の発電効率の悪化を抑制することが可能となる。   The impure gas discharge process described above can prevent a decrease in the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 and suppress the deterioration of the power generation efficiency of the fuel cell stack 1.

図１２〜図１４を参照して、システム始動時に燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給処理について説明する。図１２は、コントローラ６０が実行するシステム始動時の水素供給処理を示すフローチャートである。図１３は、システム始動時における水素濃度と目標アノード入口圧力との関係を示す図である。図１４は、システム始動時における水素濃度と圧力上昇速度との関係を示す図である。   A hydrogen supply process for supplying hydrogen to the fuel cell stack 1 when the system is started will be described with reference to FIGS. FIG. 12 is a flowchart showing a hydrogen supply process at the time of system startup executed by the controller 60. FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the hydrogen concentration and the target anode inlet pressure when the system is started. FIG. 14 is a diagram illustrating the relationship between the hydrogen concentration and the pressure increase rate when the system is started.

図１２に示すシステム始動時の水素供給処理は、イグニッションスイッチがオンされ、燃料電池システムが始動（起動）する時に実行される。   12 is executed when the ignition switch is turned on and the fuel cell system is started (started up).

Ｓ４０１及びＳ４０２において、コントローラ６０は、システム始動時に燃料電池スタック１に供給する水素の圧力条件（アノードガス圧力条件）を設定する。   In S401 and S402, the controller 60 sets a pressure condition (anode gas pressure condition) of hydrogen supplied to the fuel cell stack 1 when the system is started.

Ｓ４０１では、コントローラ６０は、図１３に示す水素濃度−目標アノード入口圧力特性を参照し、システム始動時に算出された水素濃度に基づいて目標アノード入口圧力を決定する。目標アノード入口圧力は、燃料電池スタック１のアノードガス入口部における水素供給圧力である。なお、システム始動時に算出される水素濃度は、アノードガスが燃料電池スタック１に供給される前の水素濃度である。   In S401, the controller 60 refers to the hydrogen concentration-target anode inlet pressure characteristic shown in FIG. 13 and determines the target anode inlet pressure based on the hydrogen concentration calculated at the time of starting the system. The target anode inlet pressure is a hydrogen supply pressure at the anode gas inlet of the fuel cell stack 1. Note that the hydrogen concentration calculated at the time of starting the system is the hydrogen concentration before the anode gas is supplied to the fuel cell stack 1.

図１３の水素濃度−目標アノード入口圧力特性は、目標アノード入口圧力を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−目標アノード入口圧力特性は、水素濃度が低下するほど、目標アノード入口圧力が大きくなるように設定されている。なお、水素濃度が所定濃度よりも低くなると、目標アノード入口圧力は所定の最大圧力に設定される。   The hydrogen concentration-target anode inlet pressure characteristic in FIG. 13 is data used for determining the target anode inlet pressure, and is preset. The hydrogen concentration-target anode inlet pressure characteristic is set such that the target anode inlet pressure increases as the hydrogen concentration decreases. When the hydrogen concentration is lower than the predetermined concentration, the target anode inlet pressure is set to a predetermined maximum pressure.

Ｓ４０２では、コントローラ６０は、図１４に示す水素濃度−圧力上昇速度特性を参照し、システム始動時に算出された水素濃度に基づいて圧力上昇速度を決定する。   In S402, the controller 60 refers to the hydrogen concentration-pressure increase rate characteristic shown in FIG. 14, and determines the pressure increase rate based on the hydrogen concentration calculated at the time of starting the system.

図１４の水素濃度−圧力上昇速度特性は、目標アノード入口圧力までアノード圧を上昇させる時の上昇速度を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−圧力上昇速度特性は、水素濃度が低下するほど、圧力上昇速度が速くなるように設定されている。なお、水素濃度が所定濃度よりも低くなると、圧力上昇速度は所定の最高速度に設定される。   The hydrogen concentration-pressure increase rate characteristic of FIG. 14 is data used for determining the increase rate when the anode pressure is increased to the target anode inlet pressure, and is preset. The hydrogen concentration-pressure increase rate characteristic is set so that the pressure increase rate increases as the hydrogen concentration decreases. When the hydrogen concentration becomes lower than the predetermined concentration, the pressure increase speed is set to a predetermined maximum speed.

Ｓ４０３において、コントローラ６０は、圧力センサ２４により検出されるアノード圧が、Ｓ４０３で決定された圧力上昇速度でＳ４０２で決定された目標アノード入口圧力まで上昇するように調圧弁２３をＰＩＤ制御して、水素供給処理を終了する。   In S403, the controller 60 performs PID control of the pressure regulating valve 23 so that the anode pressure detected by the pressure sensor 24 increases to the target anode inlet pressure determined in S402 at the pressure increase rate determined in S403, The hydrogen supply process is terminated.

システム始動時において燃料電池スタック１内に空気が留まっている場合にアノードガスである水素を緩やかに供給すると、いわゆる水素フロントに起因してカソード側の触媒が劣化することがある。燃料電池システム１００では、システム始動時にアノード系内が空気で満たされているような場合、つまり燃料電池スタック１内の水素濃度が低い場合には、目標アノード入口圧力を大きくしかつ圧力上昇速度を速めるので、アノードガスの強い流れによって燃料電池スタック１内に留まっている空気をバッファタンク２６に排出することができる。これにより、システム始動時における燃料電池スタック１での水素フロントの発生を抑制することが可能となる。   If hydrogen, which is the anode gas, is slowly supplied when air remains in the fuel cell stack 1 at the time of starting the system, the catalyst on the cathode side may deteriorate due to a so-called hydrogen front. In the fuel cell system 100, when the anode system is filled with air when the system is started, that is, when the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 is low, the target anode inlet pressure is increased and the pressure increase rate is increased. Since the speed is increased, the air remaining in the fuel cell stack 1 can be discharged to the buffer tank 26 by the strong flow of the anode gas. As a result, it is possible to suppress the generation of hydrogen front in the fuel cell stack 1 when the system is started.

図１５〜図１７を参照して、システム始動後の発電中に燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給処理について説明する。図１５は、システム始動後の発電中に燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行する水素供給処理を示すフローチャートである。図１６は、システム始動後の発電中における水素濃度と目標アノード入口下限圧力との関係を示す図である。図１７は、システム始動後の発電中における水素濃度とアノード圧力上昇代との関係を示す図である。   A hydrogen supply process for supplying hydrogen to the fuel cell stack 1 during power generation after the system is started will be described with reference to FIGS. FIG. 15 is a flowchart showing a hydrogen supply process executed by the controller 60 of the fuel cell system 100 during power generation after the system is started. FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the hydrogen concentration and the target anode inlet lower limit pressure during power generation after system startup. FIG. 17 is a diagram illustrating the relationship between the hydrogen concentration and the anode pressure increase allowance during power generation after system startup.

システム始動後の発電中においては、燃料電池システム１００は、図１２に示した水素供給処理ではなく、図１５に示した水素供給処理を実行する。   During power generation after the system is started, the fuel cell system 100 executes the hydrogen supply process shown in FIG. 15 instead of the hydrogen supply process shown in FIG.

図１５に示すように、コントローラ６０は、Ｓ５０１及びＳ５０２において燃料電池スタック１に供給するアノードガスの圧力条件を設定する。   As shown in FIG. 15, the controller 60 sets the pressure condition of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 in S501 and S502.

Ｓ５０１において、コントローラ６０は、図１６に示す水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性を参照し、システム始動後の発電中に算出された水素濃度に基づいて目標アノード入口下限圧力を決定する。目標アノード入口下限圧力は、車両を走行させるために必要な最低限のアノード圧である。   In S501, the controller 60 refers to the hydrogen concentration-target anode inlet lower limit pressure characteristic shown in FIG. 16, and determines the target anode inlet lower limit pressure based on the hydrogen concentration calculated during power generation after system startup. The target anode inlet lower limit pressure is the minimum anode pressure necessary for running the vehicle.

図１６の水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性は、目標アノード入口下限圧力を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性は、水素濃度が低下するほど、目標アノード入口下限圧力が大きくなるように設定されている。また、水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性は、燃料電池スタック１に対する要求出力電流毎に設定されており、要求出力電流が大きくなるほど同水素濃度での目標アノード入口下限圧力が大きくなるように設定されている。   The hydrogen concentration-target anode inlet lower limit pressure characteristic of FIG. 16 is data used for determining the target anode inlet lower limit pressure, and is preset. The hydrogen concentration-target anode inlet lower limit pressure characteristic is set such that the target anode inlet lower limit pressure increases as the hydrogen concentration decreases. Further, the hydrogen concentration-target anode inlet lower limit pressure characteristic is set for each required output current to the fuel cell stack 1, and is set so that the target anode inlet lower limit pressure at the same hydrogen concentration increases as the required output current increases. Has been.

なお、水素濃度が第１所定濃度よりも低い場合には、目標アノード入口圧力は、要求出力電流によって定まる水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性に基づいて所定の最大圧力に設定される。また、水素濃度が第２所定濃度よりも高い場合には、目標アノード入口圧力は、要求出力電流によって定まる水素濃度−目標アノード入口下限圧力特性に基づいて所定の最小圧力に設定される。   When the hydrogen concentration is lower than the first predetermined concentration, the target anode inlet pressure is set to a predetermined maximum pressure based on the hydrogen concentration-target anode inlet lower limit pressure characteristic determined by the required output current. When the hydrogen concentration is higher than the second predetermined concentration, the target anode inlet pressure is set to a predetermined minimum pressure based on the hydrogen concentration-target anode inlet lower limit pressure characteristic determined by the required output current.

Ｓ５０２において、コントローラ６０は、図１７に示す要求出力電流−アノード圧力上昇代特性を参照し、燃料電池スタック１に対する要求出力電流に基づいてアノード圧力上昇代を決定する。アノード圧力上昇代は、目標アノード入口下限圧力からの圧力上昇量を示す値である。また、燃料電池スタック１に対する要求出力電流は、アクセルペダルセンサ６３の検出値に基づいてコントローラ６０が算出する。このように、コントローラ６０は要求出力電流算出手段を含んでいる。   In S <b> 502, the controller 60 refers to the required output current-anode pressure increase allowance characteristic shown in FIG. 17 and determines the anode pressure increase allowance based on the required output current for the fuel cell stack 1. The anode pressure increase allowance is a value indicating the amount of pressure increase from the target anode inlet lower limit pressure. Further, the required output current for the fuel cell stack 1 is calculated by the controller 60 based on the detection value of the accelerator pedal sensor 63. Thus, the controller 60 includes a required output current calculation unit.

図１７の要求出力電流−アノード圧力上昇代特性は、アノード圧力上昇代を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。要求出力電流−アノード圧力上昇代特性は、要求出力電流が大きくなるほどアノード圧力上昇代が大きくなるように設定されている。   The required output current-anode pressure increase allowance characteristic in FIG. 17 is data used for determining the anode pressure increase allowance, and is preset. The required output current-anode pressure increase allowance characteristic is set so that the anode pressure increase allowance increases as the required output current increases.

Ｓ５０３において、コントローラ６０は、圧力センサ２４により検出されるアノード圧が、目標アノード入口下限圧力にアノード圧力上昇代を加えた圧力まで上昇するように調圧弁２３をＰＩＤ制御して、水素供給処理を終了する。   In S503, the controller 60 PID-controls the pressure regulating valve 23 so that the anode pressure detected by the pressure sensor 24 increases to the target anode inlet lower limit pressure plus the anode pressure increase allowance, and performs hydrogen supply processing. finish.

燃料電池システム１００では、システム始動後の発電中において、要求出力電流及び燃料電池スタック１内の水素濃度に応じた目標アノード入口下限圧力を設定するとともに要求出力電流に応じたアノード圧力上昇代を設定するので、発電中における燃料電池スタック１での水素濃度不足を防止できる。これにより、水素濃度不足に起因する燃料電池スタック１の劣化を抑制することが可能となる。   In the fuel cell system 100, during power generation after the system is started, the target anode inlet lower limit pressure is set according to the required output current and the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1, and the anode pressure increase margin is set according to the required output current. Therefore, it is possible to prevent a shortage of hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 during power generation. Thereby, it becomes possible to suppress deterioration of the fuel cell stack 1 due to insufficient hydrogen concentration.

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。   According to the fuel cell system 100 of the present embodiment described above, the following effects can be obtained.

燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１内の水素濃度と相関関係のある燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相特性を利用して、燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。具体的には、燃料電池スタック１の出力信号が所定周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御し、燃料電池スタック１から出力される交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出し、交流電流に対する交流電圧の位相遅れに基づいて燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。このように、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの測定等に使用される交流電流及び交流電圧に基づいて水素濃度を算出するので、従来よりも簡素な構成で水素濃度を算出することが可能となる。   In the fuel cell system 100, the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 is calculated using the phase characteristic of the internal impedance of the fuel cell stack 1 that has a correlation with the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1. Specifically, the fuel cell stack 1 is controlled so that the output signal of the fuel cell stack 1 becomes an AC signal including a predetermined frequency, and the phase delay of the AC voltage with respect to the AC current output from the fuel cell stack 1 is calculated. The hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 is calculated based on the phase delay of the AC voltage with respect to the AC current. As described above, since the hydrogen concentration is calculated based on the alternating current and the alternating voltage used for measuring the internal impedance of the fuel cell stack 1, it is possible to calculate the hydrogen concentration with a simpler configuration than in the past. .

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分に基づいて水素濃度を算出する点において、第１実施形態の燃料電池システムと相違する。以下、その相違点を中心に説明する。 (Second Embodiment)
Next, a fuel cell system 100 according to a second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system 100 of the present embodiment is different from the fuel cell system of the first embodiment in that the hydrogen concentration is calculated based on the imaginary part component of the internal impedance of the fuel cell stack 1. Hereinafter, the difference will be mainly described.

なお、以下の各実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。   In the following embodiments, the same reference numerals are used for the components that perform the same functions as those in the first embodiment, and repeated descriptions are omitted as appropriate.

図１８は、１ｋＨｚの交流出力信号に基づいて算出された燃料電池スタック１の内部インピーダンスを複素平面上に示した図である。   FIG. 18 is a diagram showing the internal impedance of the fuel cell stack 1 calculated based on the 1 kHz AC output signal on a complex plane.

図１８に示すように、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れθは大きくなる。第１実施形態では交流電流に対する交流電圧の位相遅れを内部インピーダンスの位相遅れとして捉えたが、第２実施形態では内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを内部インピーダンスの位相遅れとして捉える。内部インピーダンスの位相遅れθが大きくなるほど、内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍも大きくなる。第２実施形態による燃料電池システム１００では、内部インピーダンスの位相遅れθと相関する内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを用いて燃料電池スタック１の水素濃度を算出する。   As shown in FIG. 18, the phase delay θ of the internal impedance of the fuel cell stack 1 increases as the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 decreases. In the first embodiment, the phase delay of the AC voltage with respect to the AC current is regarded as the phase delay of the internal impedance. In the second embodiment, the imaginary part component Zim of the internal impedance is regarded as the phase delay of the internal impedance. As the phase delay θ of the internal impedance increases, the imaginary part component Zim of the internal impedance also increases. In the fuel cell system 100 according to the second embodiment, the hydrogen concentration of the fuel cell stack 1 is calculated using the imaginary part component Zim of the internal impedance that correlates with the phase delay θ of the internal impedance.

図１９及び図２０を参照して、燃料電池スタック１内の水素濃度の算出について説明する。図１９は、第２実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行する水素濃度算出処理を示すフローチャートである。図２０は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍと、水素濃度との関係を示す図である。図１９及び図２０は、第１実施形態において説明した図８及び図９に置き換わるものである。   Calculation of the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 will be described with reference to FIGS. 19 and 20. FIG. 19 is a flowchart showing a hydrogen concentration calculation process executed by the controller 60 of the fuel cell system 100 according to the second embodiment. FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the imaginary part component Zim of the internal impedance of the fuel cell stack 1 and the hydrogen concentration. 19 and 20 replace FIG. 8 and FIG. 9 described in the first embodiment.

図１９に示す水素濃度算出処理は、内部インピーダンス算出処理の実行後や水素濃度の算出が必要となる所定タイミングで実行される。   The hydrogen concentration calculation process shown in FIG. 19 is executed after the internal impedance calculation process or at a predetermined timing when the hydrogen concentration needs to be calculated.

Ｓ２０１において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの交流信号を含むようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御して、電流センサ６１により交流電流値を検出し、電圧センサ６２により交流電圧値を検出する。   In S201, the controller 60 controls the DC / DC converter 8 so that the output signal of the fuel cell stack 1 includes an AC signal of 1 kHz, detects the AC current value by the current sensor 61, and detects the AC voltage by the voltage sensor 62. Detect value.

Ｓ２０６において、コントローラ６０は、検出された交流電流値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電流値の振幅の虚部成分を算出する。   In S206, the controller 60 performs a known Fourier transform process on the detected alternating current value to calculate an imaginary part component of the amplitude of the alternating current value at 1 kHz.

Ｓ２０７において、コントローラ６０は、検出された交流電圧値に既知のフーリエ変換処理を施して、１ｋＨｚにおける交流電圧値の振幅の虚部成分を算出する。   In S207, the controller 60 performs a known Fourier transform process on the detected AC voltage value to calculate an imaginary part component of the amplitude of the AC voltage value at 1 kHz.

Ｓ２０８において、コントローラ６０は、交流電圧値の振幅の虚部成分を交流電流値の振幅の虚部成分で除することによって、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを算出する。この燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍと、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの位相遅れとには相関がある。   In S208, the controller 60 calculates the imaginary part component Zim of the internal impedance of the fuel cell stack 1 by dividing the imaginary part component of the amplitude of the AC voltage value by the imaginary part component of the amplitude of the AC current value. There is a correlation between the imaginary part component Zim of the internal impedance of the fuel cell stack 1 and the phase delay of the internal impedance of the fuel cell stack 1.

Ｓ２０９において、コントローラ６０は、図２０示す内部インピーダンスの虚部成分−水素濃度特性を参照し、Ｓ２０８で算出した内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍに基づいて燃料電池スタック１内における水素濃度を算出して、水素濃度算出処理を終了する。   In S209, the controller 60 refers to the imaginary part component-hydrogen concentration characteristic of the internal impedance shown in FIG. 20, and calculates the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 based on the imaginary part component Zim of the internal impedance calculated in S208. Then, the hydrogen concentration calculation process is terminated.

なお、図２０の内部インピーダンスの虚部成分−水素濃度特性は、燃料電池スタック１内における水素濃度を算出するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。内部インピーダンスの虚部成分−水素濃度特性は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍが小さくなるほど、水素濃度が高くなるように設定されている。   The imaginary part component-hydrogen concentration characteristic of the internal impedance in FIG. 20 is data used for calculating the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 and is set in advance. The imaginary part component-hydrogen concentration characteristic of the internal impedance is set so that the hydrogen concentration increases as the imaginary part component Zim of the internal impedance of the fuel cell stack 1 decreases.

上記した第２実施形態による燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の出力信号が所定周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御し、燃料電池スタック１から出力される交流電流及び交流電圧に基づいて内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを算出し、内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍに基づいて燃料電池スタック１内の水素濃度を算出する。このように、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの測定等に使用される交流電流及び交流電圧に基づいて水素濃度を算出するので、従来よりも簡素な構成で水素濃度を算出することが可能となる。   In the fuel cell system 100 according to the second embodiment described above, the fuel cell stack 1 is controlled so that the output signal of the fuel cell stack 1 becomes an AC signal including a predetermined frequency, and the AC current output from the fuel cell stack 1 and An imaginary part component Zim of the internal impedance is calculated based on the AC voltage, and a hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 is calculated based on the imaginary part component Zim of the internal impedance. As described above, since the hydrogen concentration is calculated based on the alternating current and the alternating voltage used for measuring the internal impedance of the fuel cell stack 1, it is possible to calculate the hydrogen concentration with a simpler configuration than in the past. .

（第３実施形態）
図２１〜図２５を参照して、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態の燃料電池システム１００は、交流電流に対する交流電圧の位相遅れの算出の仕方において、第１実施形態の燃料電池システム１００と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。 (Third embodiment)
A fuel cell system 100 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The fuel cell system 100 of the present embodiment is different from the fuel cell system 100 of the first embodiment in the method of calculating the phase delay of the AC voltage with respect to the AC current. Hereinafter, the difference will be mainly described.

第１実施形態による燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御し、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出して、その位相遅れに基づいて水素濃度を算出している。しかしながら、燃料電池スタック１の出力信号の設定周波数を１ｋＨｚに設定した場合であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ８による制御誤差や電流センサ６１及び電圧センサ６２での検出誤差等に起因して、図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）に示すように、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数（１ｋＨｚ）からずれてしまうことがある。このように設定周波数からずれた交流電流及び交流電圧に離算フーリエ変換を施して、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出すると、位相遅れの算出精度が低下する。   In the fuel cell system 100 according to the first embodiment, the fuel cell stack 1 is controlled so that the output signal of the fuel cell stack 1 becomes an AC signal including a frequency of 1 kHz, and the phase delay of the AC voltage with respect to the AC current is calculated. The hydrogen concentration is calculated based on the phase delay. However, even when the set frequency of the output signal of the fuel cell stack 1 is set to 1 kHz, due to the control error by the DC / DC converter 8, the detection error by the current sensor 61 and the voltage sensor 62, etc. As shown in FIG. 21 (A) and FIG. 21 (B), the frequency of the alternating current and the alternating voltage may deviate from the set frequency (1 kHz). When the phase lag of the AC voltage with respect to the AC current is calculated by subjecting the AC current and the AC voltage deviated from the set frequency in this way to calculate the phase lag of the AC voltage, the calculation accuracy of the phase lag decreases.

図２２は、燃料電池スタック１の出力信号である交流電流及び交流電圧を離算フーリエ変換して、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出した時の算出結果を示す図である。実線Ａは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれていない場合を示す。破線Ｂは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から０．５Ｈｚずれている場合を示す。一点鎖線Ｃは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から１．０Ｈｚずれている場合を示す。   FIG. 22 is a diagram showing a calculation result when an AC current and an AC voltage, which are output signals of the fuel cell stack 1, are divided by Fourier transform to calculate a phase delay of the AC voltage with respect to the AC current. A solid line A indicates a case where the frequencies of the alternating current and the alternating voltage are not deviated from the set frequency. A broken line B indicates a case where the frequencies of the alternating current and the alternating voltage are shifted from the set frequency by 0.5 Hz. An alternate long and short dash line C indicates a case where the frequencies of the alternating current and the alternating voltage are shifted by 1.0 Hz from the set frequency.

交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれていない場合には、交流電流に対する交流電圧の位相遅れは真値（例えば１０°）に収束しているが、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれている場合には、交流電流に対する交流電圧の位相遅れは演算時間が長くなるほど真値からずれた値となる。このように真値からずれた位相遅れに基づいて水素濃度を算出すると、水素濃度の算出精度が悪化してしまう。   When the frequency of the alternating current and the alternating voltage is not deviated from the set frequency, the phase delay of the alternating voltage with respect to the alternating current converges to a true value (for example, 10 °), but the frequency of the alternating current and the alternating voltage is set. When deviating from the frequency, the phase delay of the AC voltage with respect to the AC current becomes a value deviating from the true value as the calculation time becomes longer. If the hydrogen concentration is calculated based on the phase lag that deviates from the true value in this way, the calculation accuracy of the hydrogen concentration deteriorates.

そこで、第３実施形態による燃料電池システム１００では、図２３に示す演算部２００を用いて交流電流に対する交流電圧の位相遅れを演算することで、上記した位相遅れの算出精度の低下を抑制する。   Therefore, in the fuel cell system 100 according to the third embodiment, the phase delay of the AC voltage with respect to the AC current is calculated using the calculation unit 200 shown in FIG.

図２３は、第３実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ６０が備える演算部２００を示すブロック図である。演算部２００は、図８のＳ２０１〜Ｓ２０４の処理に代わって、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを演算する。なお、本実施形態の燃料電池システム１００では、演算部２００で算出された位相遅れを用いて図８のＳ２０５の処理を実行し、水素濃度を算出する。   FIG. 23 is a block diagram showing a calculation unit 200 included in the controller 60 of the fuel cell system 100 according to the third embodiment. The calculation unit 200 calculates the phase delay of the AC voltage with respect to the AC current, instead of the processing of S201 to S204 in FIG. In the fuel cell system 100 of the present embodiment, the process of S205 in FIG. 8 is executed using the phase delay calculated by the calculation unit 200 to calculate the hydrogen concentration.

演算部２００は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御した時に検出される交流電流に基づいて、交流電流の振幅Ｉａを算出する。演算部２００では、電流センサ６１により検出された交流電流をＳ１０４と同様の逆ノッチフィルタに通し、その交流電流値を乗算部２０１で二乗する。乗算部２０１で算出された値を所定時間だけ積分部２０２で積分し、除算部２０３において積分値をタイマー値で除する。タイマー値は、タイマー値算出部２０５で算出される値であって、積分時間の２分の１の値である。除算部２０３で算出された値の平方根を平方根算出部２０４で算出し、その算出値が交流電流の振幅Ｉａとなる。このように、演算部２００の乗算部２０１、積分部２０２、除算部２０３、及び平方根算出部２０４が交流電流振幅算出部を構成する。   The arithmetic unit 200 calculates the amplitude Ia of the alternating current based on the alternating current detected when the fuel cell stack 1 is controlled so that the output signal of the fuel cell stack 1 becomes an alternating signal including a frequency of 1 kHz. In the arithmetic unit 200, the alternating current detected by the current sensor 61 is passed through the reverse notch filter similar to that in S104, and the alternating current value is squared by the multiplying unit 201. The value calculated by the multiplication unit 201 is integrated by the integration unit 202 for a predetermined time, and the division unit 203 divides the integration value by the timer value. The timer value is a value calculated by the timer value calculation unit 205 and is a half of the integration time. The square root of the value calculated by the dividing unit 203 is calculated by the square root calculating unit 204, and the calculated value becomes the amplitude Ia of the alternating current. As described above, the multiplication unit 201, the integration unit 202, the division unit 203, and the square root calculation unit 204 of the calculation unit 200 constitute an AC current amplitude calculation unit.

また、演算部２００は、燃料電池スタック１の出力信号が１ｋＨｚの周波数を含む交流信号となるように燃料電池スタック１を制御した時に検出される交流電圧に基づいて、交流電圧の振幅Ｖａを算出する。演算部２００では、電圧センサ６２により検出された交流電圧をＳ１０４と同様の逆ノッチフィルタに通し、その交流電圧値の正負をゲイン部２０６で反転させ、その後、乗算部２０７で二乗する。乗算部２０７で算出された値を所定時間だけ積分部２０８で積分し、除算部２０９において積分値をタイマー値で除する。タイマー値は、タイマー値算出部２０５で算出される値であって、積分時間の２分の１の値である。除算部２０９で算出された値の平方根を平方根算出部２１０で算出し、その算出値が交流電圧の振幅Ｖａとなる。このように、演算部２００のゲイン部２０６、乗算部２０７、積分部２０８、除算部２０９、及び平方根算出部２１０が交流電圧振幅算出部を構成する。   The arithmetic unit 200 calculates the amplitude Va of the AC voltage based on the AC voltage detected when the fuel cell stack 1 is controlled so that the output signal of the fuel cell stack 1 becomes an AC signal including a frequency of 1 kHz. To do. In the arithmetic unit 200, the AC voltage detected by the voltage sensor 62 is passed through the reverse notch filter similar to that in S104, the AC voltage value is inverted by the gain unit 206, and then squared by the multiplication unit 207. The value calculated by the multiplying unit 207 is integrated by the integrating unit 208 for a predetermined time, and the dividing unit 209 divides the integrated value by the timer value. The timer value is a value calculated by the timer value calculation unit 205 and is a half of the integration time. The square root of the value calculated by the dividing unit 209 is calculated by the square root calculating unit 210, and the calculated value becomes the amplitude Va of the AC voltage. Thus, the gain unit 206, the multiplication unit 207, the integration unit 208, the division unit 209, and the square root calculation unit 210 of the calculation unit 200 constitute an AC voltage amplitude calculation unit.

さらに、演算部２００は、電流センサ６１により検出される交流電流、電圧センサ６２により検出される交流電圧、及び算出された交流電流の振幅Ｉａに基づいて、交流電圧の実部成分Ｖｒを算出する。演算部２００では、電流センサ６１の検出値をＳ１０４と同様の逆ノッチフィルタに通した交流電流値と、ゲイン部２０６から出力された交流電圧値とを乗算部２１１で掛け合わせ、乗算部２１１で算出された値を所定時間だけ積分部２１２で積分する。除算部２１３では、積分部２１２で算出された積分値を、積分時間の２分の１の値であるタイマー値で除し、さらに平方根算出部２０４で算出された交流電流の振幅Ｉａで除する。除算部２１３で算出された値が交流電圧の実部成分Ｖｒとなる。このように、演算部２００の乗算部２１１、積分部２１２、及び除算部２１３が交流電圧実部算出部を構成する。   Furthermore, the arithmetic unit 200 calculates the real component Vr of the AC voltage based on the AC current detected by the current sensor 61, the AC voltage detected by the voltage sensor 62, and the calculated amplitude Ia of the AC current. . In the arithmetic unit 200, the alternating current value obtained by passing the detected value of the current sensor 61 through the reverse notch filter similar to that in S 104 and the alternating voltage value output from the gain unit 206 are multiplied by the multiplying unit 211. The integration unit 212 integrates the calculated value for a predetermined time. In the division unit 213, the integral value calculated by the integration unit 212 is divided by a timer value that is a half of the integration time, and further divided by the amplitude Ia of the alternating current calculated by the square root calculation unit 204. . The value calculated by the dividing unit 213 is the real component Vr of the AC voltage. Thus, the multiplication unit 211, the integration unit 212, and the division unit 213 of the calculation unit 200 constitute an AC voltage real part calculation unit.

さらに、演算部２００は、交流電圧の実部成分Ｖｒ及び交流電圧の振幅Ｖａに基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθを算出する。除算部２１４において交流電圧の実部成分Ｖｒを交流電圧の振幅Ｖａで除し、除算部２１４で算出された値の逆余弦（アークコサイン）を逆余弦算出部２１５で算出する。逆余弦算出部２１５で算出された値を単位変換ゲイン部２１６を通すことで、交流電流に対する交流電圧の位相遅れθ［°］が算出される。なお、図２４は、除算部２１４、逆余弦算出部２１５、及び単位変換ゲイン部２１６での演算内容を模式的に表わしたものである。また、演算部２００の除算部２１４、逆余弦算出部２１５、及び単位変換ゲイン部２１６が位相遅れ算出部を構成する。   Furthermore, the arithmetic unit 200 calculates the phase delay θ of the AC voltage with respect to the AC current based on the real part component Vr of the AC voltage and the amplitude Va of the AC voltage. The division unit 214 divides the real part component Vr of the AC voltage by the amplitude Va of the AC voltage, and the inverse cosine (arc cosine) of the value calculated by the division unit 214 is calculated by the inverse cosine calculation unit 215. By passing the value calculated by the inverse cosine calculation unit 215 through the unit conversion gain unit 216, the phase delay θ [°] of the AC voltage with respect to the AC current is calculated. FIG. 24 schematically shows the calculation contents in the division unit 214, the inverse cosine calculation unit 215, and the unit conversion gain unit 216. In addition, the division unit 214, the inverse cosine calculation unit 215, and the unit conversion gain unit 216 of the calculation unit 200 constitute a phase delay calculation unit.

図２５は、演算部２００によって算出される交流電流に対する交流電圧の位相遅れθを示す図である。実線Ａは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれていない場合を示す。破線Ｂは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から１０Ｈｚずれている場合を示す。一点鎖線Ｃは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数から２０Ｈｚずれている場合を示す。   FIG. 25 is a diagram illustrating the phase delay θ of the AC voltage with respect to the AC current calculated by the calculation unit 200. A solid line A indicates a case where the frequencies of the alternating current and the alternating voltage are not deviated from the set frequency. A broken line B indicates a case where the frequency of the alternating current and the alternating voltage is deviated from the set frequency by 10 Hz. An alternate long and short dash line C indicates a case where the frequency of the alternating current and the alternating voltage is shifted from the set frequency by 20 Hz.

図２５に示すように、演算部２００によって算出される交流電流に対する交流電圧の位相遅れθは、交流電流及び交流電圧の周波数が設定周波数からずれている場合であっても、真値（例えば１０°）に収束する。   As shown in FIG. 25, the phase delay θ of the AC voltage with respect to the AC current calculated by the calculation unit 200 is a true value (for example, 10) even when the frequency of the AC current and the AC voltage is deviated from the set frequency. Converges to °).

上記した第３実施形態の燃料電池システム１００では、演算部２００を用いて交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出するので、周波数ずれに起因する交流電流に対する交流電圧の位相遅れの算出精度の悪化を抑制でき、燃料電池スタック１内の水素濃度の算出精度を向上させることが可能となる。   In the fuel cell system 100 according to the third embodiment described above, the calculation unit 200 is used to calculate the phase lag of the AC voltage with respect to the AC current. And the calculation accuracy of the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 can be improved.

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。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.

第１から第３実施形態ではアノードガス非循環型の燃料電池システム１００を例に水素濃度算出処理について説明したが、各実施形態における水素濃度算出処理は図２６に示すアノードガス循環型の燃料電池システム１００に適用することもできる。   In the first to third embodiments, the hydrogen concentration calculation processing has been described by taking the anode gas non-circulation type fuel cell system 100 as an example, but the hydrogen concentration calculation processing in each embodiment is the anode gas circulation type fuel cell shown in FIG. It can also be applied to the system 100.

図２６は、アノードガス循環型の燃料電池システム１００の概略構成図である。アノードガス循環型の燃料電池システム１００は、基本的に図１に示した燃料電池システム１００と同じ構成であるが、アノードガス排出通路２５に排出された未反応のアノードガス（水素）をアノードガス供給通路２２に還流する還流通路７１を備えている点で相違する。アノードガス排出通路２５は燃料電池スタック１と外部とを連通するように構成されている。還流通路７１の一端はアノードガス排出通路２５に設けられた三方弁２９に接続され、他端はアノードガス供給通路２２に接続される。還流通路７１には、アノードガス排出通路２５に排出された未反応のアノードガスをアノードガス供給通路２２に圧送する循環ポンプ７２が取り付けられている。循環ポンプ７２は、還流されるアノードガスの流量を調整可能に構成されている。   FIG. 26 is a schematic configuration diagram of an anode gas circulation type fuel cell system 100. The anode gas circulation type fuel cell system 100 has basically the same configuration as the fuel cell system 100 shown in FIG. 1, but the unreacted anode gas (hydrogen) discharged into the anode gas discharge passage 25 is used as the anode gas. The difference is that a reflux passage 71 for refluxing the supply passage 22 is provided. The anode gas discharge passage 25 is configured to communicate the fuel cell stack 1 with the outside. One end of the reflux passage 71 is connected to a three-way valve 29 provided in the anode gas discharge passage 25, and the other end is connected to the anode gas supply passage 22. A circulation pump 72 that pressure-feeds unreacted anode gas discharged to the anode gas discharge passage 25 to the anode gas supply passage 22 is attached to the reflux passage 71. The circulation pump 72 is configured to be able to adjust the flow rate of the refluxed anode gas.

なお、アノードガス循環型の燃料電池システム１００は、図１に示した燃料電池システム１００が備えるバッファタンク２６やパージ弁２８を有していない。   The anode gas circulation type fuel cell system 100 does not have the buffer tank 26 or the purge valve 28 included in the fuel cell system 100 shown in FIG.

このように構成されるアノードガス循環型の燃料電池システム１００においても、第１から第３実施形態で説明した手法を用いて水素濃度を算出することができる。また、アノードガス循環型の燃料電池システム１００では、算出された水素濃度を用いて、図２７に示すようなアノードガス循環処理を実行する。   Also in the anode gas circulation fuel cell system 100 configured as described above, the hydrogen concentration can be calculated using the method described in the first to third embodiments. In the anode gas circulation type fuel cell system 100, the anode gas circulation process as shown in FIG. 27 is executed using the calculated hydrogen concentration.

図２７は、燃料電池システム１００のコントローラ６０が実行するアノードガス循環処理を示すフローチャートである。アノードガス循環処理は、イグニッションスイッチがオンされてからオフされるまでの間、所定演算周期（例えば１００マイクロ秒周期）で実行される。   FIG. 27 is a flowchart showing an anode gas circulation process executed by the controller 60 of the fuel cell system 100. The anode gas circulation process is executed at a predetermined calculation cycle (for example, a cycle of 100 microseconds) from when the ignition switch is turned on to when it is turned off.

Ｓ６０１において、コントローラ６０は、循環ポンプ７２を作動させる運転条件が成立しているか否かを判定する。これは、燃料電池スタック１の発電性能が悪化する程度まで、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下したか否かに基づいて判定される。   In S <b> 601, the controller 60 determines whether an operation condition for operating the circulation pump 72 is satisfied. This is determined based on whether or not the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 has decreased to such an extent that the power generation performance of the fuel cell stack 1 deteriorates.

循環ポンプ運転条件が成立していない場合には、コントローラ６０は、アノードガス循環処理を終了する。これに対して、燃料電池スタック１内の水素濃度が低く、循環ポンプ運転条件が成立している場合には、コントローラ６０は、不純ガスに起因して発電効率が低下するおそれがあると判定し、Ｓ６０２及びＳ６０３の処理を実行する。   When the circulation pump operation condition is not satisfied, the controller 60 ends the anode gas circulation process. On the other hand, when the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 is low and the circulation pump operation condition is satisfied, the controller 60 determines that the power generation efficiency may be reduced due to the impure gas. , S602 and S603 are executed.

Ｓ６０２において、コントローラ６０は、図２８に示す水素濃度−循環ポンプ回転速度特性を参照し、システム運転中に算出された水素濃度に基づいて循環ポンプ回転速度を決定する。これにより、アノードガス供給通路２２に還流されるアノードガス（水素）の流量が設定される。   In S602, the controller 60 refers to the hydrogen concentration-circulation pump rotation speed characteristic shown in FIG. 28 and determines the circulation pump rotation speed based on the hydrogen concentration calculated during system operation. Thereby, the flow rate of the anode gas (hydrogen) recirculated to the anode gas supply passage 22 is set.

図２８の水素濃度−循環ポンプ回転速度特性は、循環ポンプ７２の回転速度を決定するために使用されるデータであって、予め設定されたものである。水素濃度−循環ポンプ回転速度特性は、水素濃度が低下するほど、循環ポンプ回転速度が大きくなるように設定されている。なお、水素濃度が第１所定濃度よりも低い場合には循環ポンプ回転速度は所定の最大回転速度に設定され、水素濃度が第２所定濃度よりも高い場合には循環ポンプ回転速度は所定の最小回転速度に設定される。   The hydrogen concentration-circulation pump rotational speed characteristic in FIG. 28 is data used for determining the rotational speed of the circulation pump 72 and is set in advance. The hydrogen concentration-circulation pump rotation speed characteristic is set so that the circulation pump rotation speed increases as the hydrogen concentration decreases. When the hydrogen concentration is lower than the first predetermined concentration, the circulation pump rotation speed is set to a predetermined maximum rotation speed. When the hydrogen concentration is higher than the second predetermined concentration, the circulation pump rotation speed is set to a predetermined minimum. Set to rotation speed.

Ｓ６０３において、コントローラ６０は、循環ポンプ７２に設置された回転速度センサによって検出された回転速度検出値がＳ６０２で決定された循環ポンプ回転速度となるように循環ポンプ７２をＰＩＤ制御して、アノードガス循環処理を終了する。   In S603, the controller 60 performs PID control of the circulation pump 72 so that the rotation speed detected value detected by the rotation speed sensor installed in the circulation pump 72 becomes the circulation pump rotation speed determined in S602, and the anode gas End the circular process.

アノードガス循環型の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１内の水素濃度が低下するほど循環ポンプ回転速度を大きくするので、アノードガス供給通路２２に還流されるアノードガスの流れによって燃料電池スタック１内に留まっている不純ガスをアノードガス排出通路２５に排出できる。これにより、燃料電池スタック１の発電効率の悪化を抑制することが可能となる。   In the anode gas circulation type fuel cell system 100, the circulation pump rotational speed increases as the hydrogen concentration in the fuel cell stack 1 decreases, so that the fuel cell stack 1 is driven by the flow of the anode gas recirculated to the anode gas supply passage 22. The impure gas remaining inside can be discharged to the anode gas discharge passage 25. Thereby, it becomes possible to suppress the deterioration of the power generation efficiency of the fuel cell stack 1.

１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池スタック
６ 駆動モータ
８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ 燃料電池
２１ 高圧タンク
２２ アノードガス供給通路
２３ 調圧弁
２４ 圧力センサ
２５ アノードガス排出通路
２６ バッファタンク
２７ パージ通路
２８ パージ弁（排出流量調整部）
２９ 三方弁
６０ コントローラ
６１ 電流センサ
６２ 電圧センサ
６３ アクセルペダルセンサ
７１ 還流通路
７２ 循環ポンプ（還流流量調整部）
２００ 演算部（位相特性算出手段）
Ｓ２０１ 出力制御手段
Ｓ２０４，Ｓ２０８ 位相特性算出手段
Ｓ２０５，Ｓ２０９ 水素濃度算出手段
Ｓ３０１，Ｓ３０２ 排出流量制御手段
Ｓ４０１，Ｓ４０２，Ｓ５０１，Ｓ５０２ 圧力条件設定手段
Ｓ６０２，Ｓ６０３ 還流流量制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Fuel cell system 1 Fuel cell stack 6 Drive motor 8 DC / DC converter 10 Fuel cell 21 High pressure tank 22 Anode gas supply passage 23 Pressure regulating valve 24 Pressure sensor 25 Anode gas discharge passage 26 Buffer tank 27 Purge passage 28 Purge valve (discharge flow rate) Adjustment part)
29 Three-way valve 60 Controller 61 Current sensor 62 Voltage sensor 63 Accelerator pedal sensor 71 Recirculation passage 72 Circulation pump (recirculation flow rate adjustment unit)
200 arithmetic unit (phase characteristic calculating means)
S201 Output control means S204, S208 Phase characteristic calculation means S205, S209 Hydrogen concentration calculation means S301, S302 Discharge flow rate control means S401, S402, S501, S502 Pressure condition setting means S602, S603 Reflux flow rate control means

Claims (10)

アノードガスである水素を用いて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力信号に基づいて、前記燃料電池の内部インピーダンスの位相特性を算出する位相特性算出手段と、
前記内部インピーダンスの位相特性に基づいて、前記燃料電池内の水素濃度を算出する水素濃度算出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a fuel cell that generates power using hydrogen as an anode gas,
Phase characteristic calculating means for calculating the phase characteristic of the internal impedance of the fuel cell based on the output signal of the fuel cell;
A fuel cell system comprising: a hydrogen concentration calculation means for calculating a hydrogen concentration in the fuel cell based on the phase characteristic of the internal impedance. 前記燃料電池の出力信号が所定周波数を有する交流信号となるように前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段をさらに備え、
前記位相特性算出手段は、前記燃料電池の出力信号である交流電流及び交流電圧に基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出し、
前記水素濃度算出手段は、交流電流に対する交流電圧の位相遅れに基づいて、前記燃料電池内の水素濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 Further comprising output control means for controlling the output of the fuel cell so that the output signal of the fuel cell becomes an AC signal having a predetermined frequency;
The phase characteristic calculating means calculates a phase delay of the AC voltage with respect to the AC current based on the AC current and the AC voltage that are output signals of the fuel cell,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrogen concentration calculation unit calculates a hydrogen concentration in the fuel cell based on a phase delay of an AC voltage with respect to an AC current. 前記位相特性算出手段は、
前記燃料電池の出力信号である交流電流に基づいて、交流電流の振幅を算出する電流振幅算出部と、
前記燃料電池の出力信号である交流電圧に基づいて、交流電圧の振幅を算出する電圧振幅算出部と、
前記燃料電池の出力信号である交流電流及び交流電圧と、前記電流振幅算出部によって算出された交流電流の振幅とに基づいて、交流電圧の実部成分を算出する電圧実部算出部と、
前記電圧実部算出部によって算出された交流電圧の実部成分と、前記電圧振幅算出部によって算出された交流電圧の振幅とに基づいて、交流電流に対する交流電圧の位相遅れを算出する位相遅れ算出部と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。 The phase characteristic calculating means includes
Based on the alternating current that is the output signal of the fuel cell, a current amplitude calculator that calculates the amplitude of the alternating current;
Based on the alternating voltage that is the output signal of the fuel cell, a voltage amplitude calculating unit that calculates the amplitude of the alternating voltage;
Based on the alternating current and alternating voltage that are output signals of the fuel cell, and the amplitude of the alternating current calculated by the current amplitude calculating unit, a voltage real part calculating unit that calculates a real part component of the alternating voltage;
Phase lag calculation for calculating the phase lag of the AC voltage relative to the AC current based on the real part component of the AC voltage calculated by the voltage real part calculator and the amplitude of the AC voltage calculated by the voltage amplitude calculator. The fuel cell system according to claim 2, further comprising: a unit. 前記燃料電池の出力信号が所定周波数を有する交流信号となるように前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段をさらに備え、
前記位相特性算出手段は、前記燃料電池の出力信号である交流電流及び交流電圧に基づいて、前記燃料電池の内部インピーダンスの虚部成分を算出し、
前記水素濃度算出手段は、内部インピーダンスの虚部成分に基づいて、前記燃料電池内の水素濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 Further comprising output control means for controlling the output of the fuel cell so that the output signal of the fuel cell becomes an AC signal having a predetermined frequency;
The phase characteristic calculating means calculates an imaginary part component of the internal impedance of the fuel cell based on an alternating current and an alternating voltage that are output signals of the fuel cell,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrogen concentration calculation unit calculates a hydrogen concentration in the fuel cell based on an imaginary part component of an internal impedance. 前記燃料電池から排出された水素を含むアノードオフガスを外部に排出するための排出通路と、
外部に排出されるアノードオフガスの流量を調整する排出流量調整部と、
前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度が低下するほど、アノードオフガスの排出流量が大きくなるように前記排出流量調整部を制御する排出流量制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 A discharge passage for discharging anode offgas containing hydrogen discharged from the fuel cell to the outside;
An exhaust flow rate adjusting unit for adjusting the flow rate of the anode off-gas exhausted to the outside;
The discharge flow rate control means for controlling the discharge flow rate adjusting unit so as to increase the discharge flow rate of the anode off gas as the hydrogen concentration calculated by the hydrogen concentration calculation means decreases. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4. 前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度に基づいて、前記燃料電池に供給する水素の圧力条件を設定する圧力条件設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。   6. The pressure condition setting means for setting a pressure condition of hydrogen supplied to the fuel cell based on the hydrogen concentration calculated by the hydrogen concentration calculation means. The fuel cell system according to one. 前記圧力条件設定手段は、水素濃度が低下するほど前記燃料電池に供給する水素の供給圧力を大きく設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。   7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the pressure condition setting means sets the supply pressure of hydrogen supplied to the fuel cell to be larger as the hydrogen concentration decreases. 前記圧力条件設定手段は、システム始動時には、水素濃度が低下するほど、前記燃料電池に供給する水素の供給圧力を大きく設定するとともに圧力上昇速度を速く設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。   The said pressure condition setting means sets the supply pressure of the hydrogen supplied to the said fuel cell so that it may increase as the hydrogen concentration falls at the time of system start-up, and sets a pressure increase speed | velocity fast. Fuel cell system. 前記燃料電池に対する要求出力電流を算出する要求出力電流算出手段をさらに備え、
前記圧力条件設定手段は、システム始動後の発電中には、水素濃度が低下するほど前記燃料電池に供給される水素の供給圧力を大きく設定するとともに、前記要求出力電流に基づいて下限供給圧力からの圧力上昇代を設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。 Further comprising required output current calculating means for calculating a required output current for the fuel cell;
The pressure condition setting means sets the supply pressure of hydrogen supplied to the fuel cell to a larger value as the hydrogen concentration decreases during power generation after starting the system, and from the lower limit supply pressure based on the required output current. The fuel cell system according to claim 6, wherein the pressure increase allowance is set. 前記燃料電池から排出された未反応の水素を前記燃料電池のアノードガス供給側に還流するための還流通路と、
還流される水素の流量を調整する還流流量調整部と、
前記水素濃度算出手段によって算出された水素濃度が低下するほど、水素の還流流量が大きくなるように前記還流流量調整部を制御する還流流量制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 A reflux passage for refluxing unreacted hydrogen discharged from the fuel cell to the anode gas supply side of the fuel cell;
A reflux flow rate adjusting unit for adjusting the flow rate of hydrogen to be refluxed;
2. A reflux flow rate control unit that controls the reflux flow rate adjustment unit so that the hydrogen reflux flow rate increases as the hydrogen concentration calculated by the hydrogen concentration calculation unit decreases. The fuel cell system according to claim 5.
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