JP2020080274A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、交流インピーダンス法による水素濃度の検出精度を高める技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化ガスを供給するガス供給部と、燃料電池セルの高周波インピーダンス及び低周波インピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、演算部と、を備える。演算部は、燃料電池セルの湿潤状態により個別に変化する高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスの湿度あたりの変化量を正規化する補正係数を記憶する記憶部と、補正係数を用いて高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスを正規化した上で、高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスの差分を演算する差分演算部と、演算した差分を用いて燃料ガスの濃度を求める濃度演算部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池の高周波インピーダンスと低周波インピーダンスとの測定結果から、燃料電池内部への反応ガスの供給状態を把握する方法が知られている。各インピーダンスの測定結果は、プロトンの移動抵抗や電解質膜の乾湿状態といった燃料電池の各部の影響を受ける。そのため、例えば、特許文献１には、燃料電池の電解質膜の乾湿状態が変化する前後の高周波インピーダンスの変化比率に応じて低周波インピーダンスを比例補正することによって、燃料電池の乾湿状態の影響を低減する方法が記載されている。

特開２０１３−１２５６０４号公報

従来の手法によれば、反応ガスの濃度などを燃料電池の湿潤状態を考慮して検出できるものの、その精度を更に高めたいという要望があった。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、触媒電極層が電解質膜の各面に形成された膜電極接合体を有する燃料電池セルを備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、前記燃料電池セルのアノードに燃料ガスを供給し、前記燃料電池セルのカソードに酸化ガスを供給するガス供給部と、前記燃料電池セルの高周波インピーダンス及び低周波インピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、前記測定した高周波インピーダンス及び低周波インピーダンスを用いて、前記燃料電池セルに供給される前記燃料ガスの濃度を検出する演算部と、を備える。前記演算部は、前記燃料電池セルの湿潤状態により個別に変化する前記高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスの湿度あたりの変化量を正規化する補正係数を記憶する記憶部と、前記補正係数を用いて、前記高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスを正規化した上で、前記高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスの差分を演算する差分演算部と、前記演算した差分を用いて、前記燃料ガスの濃度を求める濃度演算部と、を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池セルの乾湿状態による影響を除去した補正係数を用いて正規化することによって、燃料電池セルの電解質膜が乾燥するに従って生じる低周波インピーダンスと高周波インピーダンスとの上昇度合いの差を小さくできる。これにより、各インピーダンスに与える電解質膜の乾湿状態の影響を小さくしたうえで燃料ガスの濃度を求めることができる。したがって、交流インピーダンス法による水素濃度の検出精度を高めることができる。
本発明は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を表す説明図。 燃料電池システムの要部構成図。 セルの等価回路図。 セルの湿潤状態とインピーダンスとの関係を表すデータ。 セルの乾湿状態に対するインピーダンスの差分の値の変化を表すグラフ。 セルの水素濃度とアノード拡散抵抗との相関関係を表すグラフ。 燃料電池の水素濃度の算出処理を示すフローチャート。 ガス制御部が実行する水素濃度の調整制御を表すフローチャート。 水素濃度の調整制御による水素濃度の変化を模式的に表すグラフ。 ガス制御部が実行するアノードオフガスの排出制御を表すフローチャート。

Ａ．第１実施形態：
図１および図２を用いて、本実施形態の燃料電池システム９０の構成について説明する。図１は、第１実施形態の燃料電池システム９０の概略構成を表す説明図である。燃料電池システム９０は、電気自動車の一例である燃料電池車両に搭載され、図示しない車両走行用のモータ等の負荷に電力を供給する駆動用電源システムとして用いられる。燃料電池システム９０は、定置型電源システムとして用いられてもよい。

図１に示すように、本実施例の燃料電池システム９０は、燃料電池１５と、燃料ガス供給部２０と、酸化ガス供給部３０と、水素濃度検出器５０と、制御部６０と、を備える。燃料電池１５には、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０が接続されている。燃料ガス供給部２０および酸化ガス供給部３０は、ガス供給部と総称することがある。

燃料電池１５は、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１５は、発電体である燃料電池セル１０（以下、単に「セル１０」とも呼ぶ）を複数積層したスタック構造を有する。燃料ガスおよび酸化ガスは、電気化学反応に用いるガスであり、反応ガスとも呼ぶ。燃料電池１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０を介して図示しない負荷に接続されている。燃料電池１５から負荷へと電力を供給する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０が、燃料電池１５の出力電圧を、負荷で利用可能な電圧に昇圧する。

燃料電池１５には、燃料ガス供給部２０、酸化ガス供給部３０が接続されている。燃料ガス供給部２０は、燃料ガスタンク２１と、燃料ガス供給管２２と、燃料ガス排気管２３と、燃料ガス還流管２４と、制御弁４２と、水素ポンプ４４と、気液分離器４５と、パージ弁４６と、燃料ガス排出管２５とによって構成される。燃料ガスタンク２１は、燃料ガス（具体的には、水素ガス）が貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給管２２を介して燃料電池１５のアノード側流路に接続されている。燃料ガス供給管２２には制御弁４２が設けられている。制御弁４２は、開弁と閉弁とを切り換えることによって、燃料ガスタンク２１から燃料電池１５へ供給される水素量を調整する。制御弁４２は、燃料電池１５へ供給される水素供給量を段階的に調整できる流量調整弁を採用してよい。

燃料ガス排気管２３は、燃料電池１５から排出されるアノードオフガスが流れる流路である。燃料ガス還流管２４は、燃料ガス排気管２３と、燃料ガス供給管２２における制御弁４２よりも下流側の部位とに接続されている。燃料電池１５から燃料ガス排気管２３に排出されたアノードオフガスは、燃料ガス還流管２４を経由して、再び燃料ガス供給管２２に導かれる。そのため、燃料電池システム９０において、燃料ガスは、発電により水素が消費されつつ、燃料ガス排気管２３、燃料ガス還流管２４、燃料ガス供給管２２の一部、および、燃料電池１５内に形成される燃料ガスの流路を循環する。燃料ガス還流管２４には、水素ポンプ４４が備えられる。水素ポンプ４４は、流路内で燃料ガスを循環させるための駆動力を発生させて燃料ガスの循環量を調節する。

燃料ガス排気管２３と燃料ガス還流管２４との接続部には、気液分離器４５が設けられている。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素と共に、窒素や水蒸気等の不純物ガスが含まれる。気液分離器４５は、アノードオフガス中の水と、ガス（水素および窒素等）とを分離する。本実施形態では、気液分離器４５を介して、上記した流路内を循環する燃料ガスから不純物が除去される。気液分離器４５には、燃料ガス排出管２５が接続されており、燃料ガス排出管２５にはパージ弁４６が設けられている。パージ弁４６が開弁されることにより、気液分離器４５から燃料ガス排出管２５を介して、水と、水素ガスが使い果たされたアノードオフガスとが排出される。

酸化ガス供給部３０は、エアコンプレッサ３１と、酸化ガス供給管３２と、酸化ガス排出管３３と背圧弁３９と、を備える。酸化ガス供給管３２は、エアコンプレッサ３１と燃料電池１５とを接続する。エアコンプレッサ３１は、酸化ガス（具体的には、空気）を圧縮し、酸化ガス供給管３２を介して、燃料電池１５のカソード側流路に空気を供給する。燃料電池１５から排出されるカソードオフガスは、酸化ガス排出管３３を介して、燃料電池システム９０の外部に排出される。酸化ガス排出管３３には、背圧弁３９が設けられており、背圧弁３９の開度を調節することによって、燃料電池１５内における酸化ガスの圧力を調節している。なお、燃料電池１５の内部には、燃料電池１５を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路が形成されているが、このような冷媒流路、および、冷媒流路内に冷媒を循環させるための冷媒系についての図示および説明は省略する。

制御部６０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成される。より具体的には、制御部６０は、予め設定された制御プログラムに従って演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種信号を入出力する入出力ポート等を備える。

水素濃度検出器５０は、各セル１０のうち、診断対象となるセル１０（以下、対象セル１０とも呼ぶ）の局所部位に接続されている。水素濃度検出器５０は、交流インピーダンス法を利用して、対象セル１０内の水素ガスの濃度を検出する制御装置であり、各種入力信号に基づいて制御処理や演算処理を実行する。

次に、図２を用いて、セル１０の構造、水素濃度検出器５０および制御部６０の構成について説明する。図２は、セル１０と、水素濃度検出器５０と、制御部６０とを含む燃料電池システム９０の要部構成図である。

セル１０の構造について説明する。セル１０は、固体高分子からなる電解質膜１００ａの両面に触媒電極層であるアノード電極１００ｂおよびカソード電極１００ｃを配置する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１００と、膜電極接合体１００を挟持する一対のセパレータ１０１、１０２とを備える。ＭＥＡ１００を構成する電解質膜１００ａは、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電子伝導性を示す。アノード電極１００ｂおよびカソード電極１００ｃは、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持するカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質と、を備えている。セパレータ１０１、１０２は、ガスを透過しない導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属製部材により形成される。

一対のセパレータ１０１、１０２のうち、アノード電極１００ｂに対向するセパレータ１０１には、燃料ガスである水素を導入する水素入口部１０１ａと、アノード電極１００ｂに水素を供給する水素流路１０１ｃと、水素流路１０１ｃから水素を導出する水素出口部１０１ｂとが形成されている。一対のセパレータ１０１、１０２のうち、カソード電極１００ｃに対向するセパレータ１０２には、空気を導入する空気入口部１０２ａと、カソード電極１００ｃに酸素を供給する空気流路１０２ｃと、空気流路１０２ｃから空気を導出する空気出口部１０２ｂとが形成されている。各セパレータ１０１、１０２では、水素流路１０１ｃ内の水素の流通方向と、空気流路１０２ｃ内の空気の流通方向とが互いに対向流となるように、各入口部１０１ａ、１０２ａ、および各出口部１０１ｂ、１０２ｂが形成される。

次に、水素濃度検出器５０の構成について説明する。水素濃度検出器５０は、電流センサ８２と、電圧センサ８４と、信号印加部５２と、インピーダンス測定部５３と、記憶部５７と、ＣＰＵ５８とを備える。電流センサ８２は、対象セル１０の水素の流通方向下流側の電流を検出する。本実施形態では、電流センサ８２は、酸化剤ガスのガス濃度が高く、かつ燃料ガスのガス濃度が低くなり易い箇所として、水素出口部１０１ｂおよび空気入口部１０２ａ付近に接続されている。電流センサ８２は、シャント抵抗やホール素子等を利用した周知の電流センサを用いることができる。電圧センサ８４は、対象セル１０の電圧を検出する。電流センサ８２および電圧センサ８４の検出結果は、出力信号として水素濃度検出器５０に入力される。

信号印加部５２は、燃料電池１５のセル１０に対して、異なる周波数領域の信号を合成した交流信号を印加する。本実施形態では、信号印加部５２は、物質拡散現象を捉える目的で使用できる０．１Ｈｚ〜数十Ｈｚの範囲での所定の周波数（以下、「低周波数領域」とも呼ぶ）の信号と、イオン移動現象を捉える目的で使用できる２００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲での所定の周波数帯（以下、「高周波数領域」とも呼ぶ）の信号とを合成した交流信号を印加する。信号印加部５２にて印加する交流信号は、燃料電池１５の発電状態に影響しないように燃料電池１５の出力電流の１０％以内とすることが望ましい。

インピーダンス測定部５３は、信号印加部５２による交流信号を燃料電池１５のセル１０に印加した際の電流センサ８２および電圧センサ８４の検出値を用いて、対象セル１０の局所部位におけるインピーダンスＺを測定する。本実施形態のインピーダンス測定部５３は、高速フーリエ変換処理によって、高周波数領域の信号に対応する交流成分と、低周波数領域の信号に対応する交流成分とを個別に抽出し、高周波数領域の交流信号に対応する高周波インピーダンスＺＨ、および低周波数領域の交流信号に対応する低周波インピーダンスＺＬを検出する。インピーダンス測定部５３は、高速フーリエ変換処理のほか、バンドパスフィルターによって、高周波領域と低周波領域とに分離して各インピーダンスＺＨ，ＺＬを検出してもよく、高周波・低周波の電圧信号を印加するタイミングをずらすことによって、各インピーダンスＺＨ，ＺＬとを別々のタイミングで個々に検出してもよい。

記憶部５７は、ＲＯＭやＲＡＭを含む一般的な記憶装置である。ＣＰＵ５８は、演算部５４を備える中央処理装置である。水素濃度検出器５０は、記憶部５７のＲＡＭに一時的に記憶されているプログラムを、ＣＰＵ５８が実行することにより各部の機能を実現する。記憶部５７には、そのほか、後述する補正係数ａが予め記憶されている。

演算部５４は、インピーダンス測定部５３によって測定された高周波インピーダンスＺＨ及び低周波インピーダンスＺＬを用いて、セル１０に供給される水素ガスの濃度を検出する。本実施形態において、演算部５４は、更に、制御部６０に出力信号を送信して水素ガスの供給量を調節する。演算部５４は、差分演算部５５と、濃度演算部５６とを備える。差分演算部５５は、記憶部５７に記憶された補正係数ａを用いて、高周波インピーダンスＺＨと低周波インピーダンスＺＬとの差分値を演算する。濃度演算部５６は、差分演算部５５によって演算された各インピーダンスＺＨ，ＺＬの差分値を用いて、水素ガスの濃度を求める。補正係数ａは、インピーダンスＺを用いた水素濃度検出において、セル１０の湿潤状態による誤差を除去するために予め算出された値であり、記憶部５７に記憶されている。

水素濃度検出器５０の出力側には制御部６０が接続される。制御部６０は、ガス制御部６２を備える。ガス制御部６２は、エアコンプレッサ３１、背圧弁３９、制御弁４２、水素ポンプ４４、パージ弁４６に駆動信号を出力してセル１０への水素ガス供給量および水素ガス濃度を調節する。

次に、図３から図６を用いて、水素濃度検出器５０の演算部５４が実行するセル１０の水素濃度の算出処理について説明する。図３は、セル１０の等価回路図である。図３に示すように、一般的なセル１０の等価回路は、電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍ、各セパレータ１０１、１０２の抵抗Ｒａｎ、Ｒｃａ、各電極１００ｂ、１００ｃの反応抵抗Ｚａｎ、Ｚｃａ、各電極１００ｂ、１００ｃの電気二重層の容量（コンデンサ成分）Ｃａｎ、Ｃｃａで表現することができる。高周波数領域から低周波数領域までの交流信号を印加した際のインピーダンスＺは、例えば、セル１０の等価回路を用いたコールコールプロットの測定によって求めることができる。

図４は、セル１０の湿潤状態と、高周波インピーダンスＺＨおよび低周波インピーダンスＺＬとの関係を表すデータである。すなわち、セル１０の湿度あたりの各インピーダンスＺＨ，ＺＬの変化量を表している。図４に示すデータは、セル１０内に水素と酸素が十分に存在する状態で測定したデータを表している。図４の横軸は、セル１０（具体的には、セル１０の電解質膜１００ａ）の湿潤状態を表しており、横軸の左端側から右端側に向かうに従い、セル１０は湿潤状態から乾燥状態へと変化する。図４の縦軸は、インピーダンスＺの値を表している。

セル１０では、上述したように、アノード電極１００ｂの触媒表面で水素の酸化反応が進行する。酸化反応により水素の量が少なくなると、触媒表面へ拡散する水素の拡散速度が遅くなり、アノード拡散抵抗は増加する。他方、カソード電極１００ｃの触媒表面では、酸素の還元反応が進行し、生成物である液水が増加する。生成水の量が多くなると、酸素ガスの移動が生成水によって阻害され、カソード拡散抵抗は増加する。また、セル１０が乾燥すると、生成水の減少に伴ってプロトン移動抵抗は増加する。

ここで、低周波インピーダンスＺＬは、プロトン移動抵抗のほか、アノード拡散抵抗とカソード拡散抵抗との影響を受けるが、セル１０内に水素と酸素が十分に存在する場合、水素不足や酸素不足で生じる影響を考慮する必要はない。そのため、図４に示すデータのように、セル１０に水素と酸素が十分に存在する状態であれば、セル１０の乾湿状態を変化させた場合に発生する低周波インピーダンスＺＬと高周波インピーダンスＺＨとの変化は、セル１０の乾湿状態の変化による影響のみを切り分けた変化として考えることができる。

図４に示すように、低周波インピーダンスＺＬおよび高周波インピーダンスＺＨは、セル１０が乾燥するに従って上昇する。しかし、各インピーダンスＺＬ，ＺＨの値の上昇度合いには差がある。より具体的には、高周波インピーダンスＺＨよりも低周波インピーダンスＺＬの方がセル１０の乾燥に伴う増加量が大きい。そこで、図４に示すように、セル１０の湿潤状態での高周波インピーダンスＺＨの値は、湿潤状態での低周波インピーダンスＺＬの値Ｚ０に一致するように補正されている。ただし、低周波インピーダンスＺＬの値を補正して、湿潤状態での高周波インピーダンスＺＨ側に一致するように補正してもよく、一方のインピーダンスを他方のインピーダンスに一致するような種々の方法によって補正してもよい。

図５は、図４に示したセル１０の乾湿状態に対する各インピーダンスＺＬ，ＺＨの差分の値Ｄｆの変化を表すグラフである。上述したように、各インピーダンスＺＬ，ＺＨの値の上昇度合いにはセル１０の乾湿状態による差があり、高周波インピーダンスＺＨよりも低周波インピーダンスＺＬの方がセル１０の乾燥に伴う増加量が大きい。したがって、各インピーダンスＺＬ，ＺＨの差分の値Ｄｆは、セル１０が乾燥するに伴って大きくなる。より具体的には、各インピーダンスＺＨ，ＺＬの差分の値Ｄｆは、セル１０の乾燥に伴って、傾きａをもった比例関係をもって大きくなる。そこで、このグラフの傾きａを補正係数ａとして予め算出しておき、水素濃度の算出時に高周波インピーダンスＺＨに掛け合わせて、高周波インピーダンスＺＨを低周波インピーダンスＺＬに正規化させる。これにより、水素濃度の算出にあたり、各インピーダンスＺＬ，ＺＨの値から、更にセル１０の乾燥状態の影響を小さくした状態にすることができる。

図６は、セル１０の水素濃度と補正後のアノード拡散抵抗との相関関係を表すグラフである。より具体的には、水素濃度は、上述した補正係数ａを用いて正規化した高周波インピーダンスＺＨの値を用いた以下の式（１）により、セル１０の乾湿状態の影響を小さくした状態の差分値Ｚαを用いて算出することができる。
Ｚα＝ＺＬ−ａ×ＺＨ …（１）
このように、セル１０の乾湿状態の変化に伴う影響の違いを切り分けることによって、検出した各インピーダンスＺＨ，ＺＬをより的確に水素濃度と相関付けることができる。

図７は、水素濃度検出器５０の各部が実行する燃料電池１５の水素濃度の算出処理を示すフローチャートである。図７に示す水素濃度の算出処理は、本実施形態の燃料電池システム９０を備える車両のイグニションキーをＯＮにし、燃料電池１５を発電状態とすることによって開始する。

燃料電池１５が発電状態となると、水素濃度検出器５０は対象セル１０の局所部位のインピーダンスＺを測定する（ステップＳ１０）。より具体的には、はじめに、信号印加部５２が、燃料電池１５のセル１０に対して、高周波数領域の信号と低周波数領域の信号とを合成した交流信号を印加する。インピーダンス測定部５３は、電流センサ８２および電圧センサ８４からの出力信号による検出値に基づいてインピーダンスＺの値を検出する。このとき、インピーダンス測定部５３は、高周波インピーダンスＺＨと、低周波インピーダンスＺＬとのそれぞれを検出する。

本実施形態の燃料電池システム９０が実行する処理では、水素濃度検出器５０の差分演算部５５が、予め記憶部５７に記憶された補正係数ａを読み出す（ステップＳ２０）。差分演算部５５は、ステップＳ１０でインピーダンス測定部５３が取得した高周波インピーダンスＺＨおよび低周波インピーダンスＺＬと、補正係数ａとを用いて、式（１）から差分値Ｚαを算出する（ステップＳ３０）。濃度演算部５６は、差分値Ｚαからセル１０の水素濃度を算出して（ステップＳ４０）、本ルーチンを完了させる。

本実施形態の燃料電池システム９０は、上述した水素濃度の算出処理によって得られた水素濃度を用いて、更に、以下に示す水素濃度の調整制御と、アノードオフガスの排出制御とを実行する。図８および図９を用いて、燃料電池システム９０が実行する水素濃度の調整制御について説明する。図８は、水素濃度検出器５０のガス制御部６２が実行する水素濃度の調整制御を表すフローチャートである。図８に示す水素濃度の調整制御は、図４に示した水素濃度の算出処理に続いて、例えばステップＳ４０の後に実行される。

ガス制御部６２は、濃度演算部５６によって算出された水素濃度を検出する（ステップＳ５０）。このとき、ガス制御部６２は、検出した水素濃度と、予め定められた各閾値との比較を実行する。各閾値は、セル１０内の水素濃度の適正状態を管理するための上限値ＴＬと、下限値ＢＬで設定されるが、任意に設定されてよい。ガス制御部６２は、検出した水素濃度が下限値ＢＬ以下となった場合には、制御部６０に出力信号を送信して制御弁４２を開弁させ、セル１０への水素の供給量を増加させる（ステップＳ５２）。他方、ガス制御部６２は、検出した水素濃度が上限値ＴＬ以上となった場合には、制御弁４２を閉弁させてセル１０への水素の供給量を減少させる（ステップＳ５４）。水素濃度が上限値ＴＬと下限値ＢＬとの間である場合、すなわちセル１０内の水素濃度が適正である場合には、ガス制御部６２による処理は「リターン」に抜けて、水素濃度の検出を継続する。ステップＳ５２およびステップＳ５４の水素の供給量の増減は、制御弁４２に代えた流量調整弁を用いることにより、セル１０が所望の水素濃度となるように段階的に調整されてもよい。

図９は、ガス制御部６２が実行する水素濃度の調整制御によって実現される水素濃度の変化を模式的に表すグラフである。上述した水素濃度の調整制御によれば、例えば、時間ｔ１では、予め定められた水素濃度の下限値ＢＬに達することにより水素ガスの供給量を大きくし、時間ｔ２では、上限値ＴＬに達することにより水素ガスの供給量を小さくする制御を行う。このように、本実施形態の燃料電池システム９０は、水素濃度検出器５０が水素濃度を検出した後、更に、制御部６０のガス制御部６２が水素濃度の調整制御を実行する事によって、セル１０への水素ガスの供給量が必要最低限となるように制御される。

次に、図１０を用いて、燃料電池システム９０が実行するアノードオフガスの排出制御について説明する。本実施形態の燃料電池システム９０は、上述した水素濃度の調整制御とともに本制御を実行する。本制御は、上述した水素濃度の調整制御に代えて実行してもよい。図１０は、水素濃度検出器５０のガス制御部６２が実行するアノードオフガスの排出制御を表すフローチャートである。図１０に示す水素濃度の調整制御は、図４に示した水素濃度の算出処理に続いて、例えばステップＳ４０の後に実行される。

ガス制御部６２は、濃度演算部５６によって算出された水素濃度を検出する（ステップＳ６２）。次に、ガス制御部６２は、検出した水素濃度と、予め定められた閾値との比較を実行する（ステップＳ６４）。本制御において、閾値は、セル１０内の水素濃度の管理値の下限値ＢＬのみを設定される。下限値ＢＬは、上述した水素濃度の調整制御で設定された下限値ＢＬと同じ値で設定されるが、異なる値で設定されてよい。ガス制御部６２は、検出した水素濃度が下限値ＢＬ以下である場合には（Ｓ６４：ＹＥＳ）、パージ弁４６を開弁して、燃料ガス排出管２５からアノードオフガスを排出する（ステップＳ６６）。他方、ガス制御部６２は、検出した水素濃度が下限値ＢＬ以下でない場合（Ｓ６４：ＮＯ）、処理を「リターン」に抜けて水素濃度の検出を継続する。ガス制御部６２は、パージ弁４６が開弁された状態で、取得した各インピーダンスＺＨ，ＺＬから差分値Ｚαを算出する（ステップＳ６８）。パージ弁４６の開弁により、アノードオフガスが排出されて、セル１０内の水素濃度は上昇する。ガス制御部６２は、差分値Ｚαの上昇が、制御部６０内のメモリに記憶された予め定められた値分上昇したか否かを判定する（ステップＳ７０）。ガス制御部６２は、差分値Ｚαが予め定められた値分の上昇を検出するまで水素濃度の検出を継続する（Ｓ７０：ＮＯ）。他方、ガス制御部６２が予め定められた値分の差分値Ｚαの上昇を検出すると（Ｓ７０：ＹＥＳ）、ガス制御部６２は、パージ弁４６を閉弁してアノードオフガスの排出を停止し（ステップＳ７２）、処理を「リターン」に抜けて本ルーチンを完了する。

以上、説明したように、本実施形態の燃料電池システム９０によれば、燃料電池セル１０の乾湿状態による影響を除去した補正係数ａを用いて正規化することによって、燃料電池セル１０の電解質膜１００ａが乾燥するに従って生じる低周波インピーダンスＺＬと高周波インピーダンスＺＨとの上昇度合いの差分を小さくしている。これにより、各インピーダンスＺに与える電解質膜１００ａの乾湿状態の影響を小さくしたうえで水素ガスの濃度を求めることができる。したがって、交流インピーダンス法による水素濃度の検出精度を高めることができる。

本実施形態の燃料電池システム９０は、水素濃度を検出した後、更に、水素濃度の調整制御を実行することによって、セル１０への水素ガスの供給量を制御する。セル１０の水素供給状態を精度よく把握できることによって、例えば、水素濃度の管理値を、セル１０が劣化しない範囲に低下させる事ができる。また、これに伴い、水素入口部１０１ａの分圧を下げることができ、カソード電極１００ｃへの水素ガスのクロスオーバー量を減らし、本実施形態の燃料電池システム９０を搭載した車両の燃費を向上させることができる。

本実施形態の燃料電池システム９０は、水素濃度を検出した後、更に、アノードオフガスの排出制御を実行することによって、セル１０の劣化を低減しつつ、アノードオフガスとともに排出されていた水素の排出量を低減できる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態において、アノードオフガスの排出制御では、ステップＳ６８およびステップＳ７０において、インピーダンス値を用いた差分値Ｚαの上昇検出を行っている。これに対して、ステップＳ６６でパージ弁４６を閉弁した後、水素濃度の検出を実行することなく、予め定められた期間の経過によって、パージ弁４６を閉弁する処理（ステップＳ７２）を実行する処理であってもよい。この形態のアノードオフガスの排出制御であっても、セル１０の劣化を低減しつつ、アノードオフガスとともに排出されていた水素の排気量を低減できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池セル、１５…燃料電池、２０…燃料ガス供給部、２１…燃料ガスタンク、２２…燃料ガス供給管、２３…燃料ガス排気管、２４…燃料ガス還流管、２５…燃料ガス排出管、３０…酸化ガス供給部、３１…エアコンプレッサ、３２…酸化ガス供給管、３３…酸化ガス排出管、３９…背圧弁、４２…制御弁、４４…水素ポンプ、４５…気液分離器、４６…パージ弁、５０…水素濃度検出器、５２…信号印加部、５３…インピーダンス測定部、５４…演算部、５５…差分演算部、５６…濃度演算部、５７…記憶部、５８…ＣＰＵ、６０…制御部、６２…ガス制御部、７０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８２…電流センサ、８４…電圧センサ、９０…燃料電池システム、１００…膜電極接合体、１０１…セパレータ、１０２…セパレータ

Claims (1)

1. 触媒電極層が電解質膜の各面に形成された膜電極接合体を有する燃料電池セルを備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池セルのアノードに燃料ガスを供給し、前記燃料電池セルのカソードに酸化ガスを供給するガス供給部と、
   前記燃料電池セルの高周波インピーダンス及び低周波インピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、
   前記測定した高周波インピーダンス及び低周波インピーダンスを用いて、前記燃料電池セルに供給される前記燃料ガスの濃度を検出する演算部と、を備え、
   前記演算部は、
   前記燃料電池セルの湿潤状態により個別に変化する前記高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスの湿度あたりの変化量を正規化する補正係数を記憶する記憶部と、
   前記補正係数を用いて、前記高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスを正規化した上で、前記高周波インピーダンスおよび低周波インピーダンスの差分を演算する差分演算部と、
   前記演算した差分を用いて、前記燃料ガスの濃度を求める濃度演算部と、を備える、燃料電池システム。

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