JP7480087B2 - 水素濃度推定方法及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に供給される燃料ガス内の水素の濃度を推定する技術に関する。

水素濃度推定方法として、燃料ガスを圧縮して燃料電池に供給するためのポンプのモータに流れる電流に基づいて、燃料ガス内の水素の濃度を推定するものがある。関連する技術として、特許文献１がある。

ところで、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力と燃料電池から排出される燃料ガスの圧力との比である圧損や燃料ガス内の水素以外のガスの分圧（ＮＨ分圧など）が変化すると、水素の濃度が変化するおそれがある。

そのため、上記水素濃度推定方法では、燃料電池における圧損や水素以外のガスの分圧に応じて、燃料電池に供給するためのポンプのモータに流れる電流を変化させない場合、燃料電池における圧損や水素以外のガスの分圧に応じて、水素の濃度の推定値が変化するおそれがある。

特開２００５－３０２６４８号公報

本発明の一側面に係る目的は、燃料電池における圧損や水素以外のガスの分圧が変化しても、燃料電池に供給される燃料ガス内の水素の濃度を精度よく推定することである。

本発明に係る一つの形態である水素濃度推定方法は、複数のパラメータに基づいて燃料電池の発電を制御する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給される燃料ガス内の水素の濃度を推定する水素濃度推定方法であって、前記燃料電池システムは、前記複数のパラメータのうちの前記水素の濃度以外のパラメータを取得するステップと、前記水素の濃度以外のパラメータに基づいて、前記水素の基準濃度に対応する、前記燃料電池の出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報を求めるステップと、前記出力電流及び前記出力電圧を測定するステップと、前記情報において前記測定した出力電流に対応する前記出力電圧と前記測定した出力電圧との電圧差を求めるステップと、前記電圧差に基づいて、前記水素の濃度を推定するステップとを有する。

燃料電池における圧損や水素以外のガスの分圧が変化すると、燃料電池の出力電圧が変化する場合がある。そのため、燃料電池の出力電圧と、水素の濃度以外のパラメータとから水素の濃度を推定することにより、燃料電池における圧損や水素以外のガスの分圧の影響を受け難い状態で水素の濃度を推定することができる。これにより、燃料電池における圧損や水素以外のガスの分圧が変化しても、水素の濃度を精度よく推定することができる。

また、前記燃料電池システムは、前記水素の濃度以外のパラメータとして、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力及びストイキ、前記燃料電池に供給される冷媒の温度及び流量、並びに前記燃料電池の劣化度を取得するように構成してもよい。

このように、水素の濃度以外のパラメータとして、酸化剤ガスの圧力及びストイキ、冷媒の温度及び流量、並びに燃料電池の劣化度を取得する場合、パラメータの変化に伴う燃料電池の出力電圧の変動量を比較的大きくすることができる。そのため、パラメータの誤差の影響を低減して、燃料電池の出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報を求めることができ、水素の濃度の推定精度を向上させることができる。

また、前記燃料電池システムは、前記水素の濃度以外のパラメータとして、前記燃料ガスの圧力及びストイキをさらに取得するように構成してもよい。

このようにパラメータを増やすことにより、燃料電池の出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報をさらに精度よく求めることができるため、水素の濃度の推定精度をさらに向上させることができる。

また、前記燃料電池システムは、前記燃料電池システムが起動してから所定時間経過後に、前記水素の濃度以外のパラメータを取得するように構成してもよい。

これにより、比較的安定した後のパラメータを取得することができるため、燃料電池の出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報を精度よく求めることができ、水素の濃度の推定精度をさらに向上させることができる。

本発明に係る一つの形態である燃料電池システムは、燃料電池と、複数のパラメータに基づいて前記燃料電池の発電を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記複数のパラメータのうちの水素の濃度以外のパラメータに基づいて、前記水素の基準濃度に対応する、前記燃料電池の出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報を求めるとともに、前記出力電流及び前記出力電圧を測定し、前記情報において前記測定した出力電流に対応する前記出力電圧と前記測定した出力電圧との電圧差に基づいて、前記水素の濃度を推定する。

これにより、燃料電池における圧損や水素以外のガスの分圧が変化しても、水素の濃度を精度よく推定することができる。

本発明によれば、燃料電池における圧損や水素以外のガスの分圧が変化しても、燃料電池に供給される燃料ガス内の水素の濃度を精度よく推定することができる。

実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 燃料電池の劣化度を推定する方法を説明するための図である。 各種パラメータに対応する、燃料電池の出力電流と出力電圧との相関関係示す情報の一例を示す図である。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 制御部の動作の他の例を示すフローチャートである。 水素濃度推定方法の一例を説明するための図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

図１は、実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

図１に示す燃料電池システム１は、フォークリフトなどの産業車両や自動車などの車両Ｖｅに搭載され、負荷Ｌｏなどに電力を供給する。なお、負荷Ｌｏは、走行用モータを駆動するインバータなどとする。

また、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、水素タンクＨＴと、水素タンク弁ＨＴＶと、インジェクタＩＮＪと、気液分離機ＧＬＳと、水素循環ポンプＨＰと、排気排水弁ＥＤＶと、エアコンプレッサＡＣＰと、エア調圧弁ＡＲＶと、エアシャット弁ＡＳＶとを備える。

また、燃料電池システム１は、さらに、ラジエタＲと、ファンＦと、ウォータポンプＷＰと、インタークーラＩＣと、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと、蓄電装置Ｂと、圧力センサＰａと、流量センサＦａと、圧力センサＰｈと、温度センサＴと、電流センサＳｉと、電圧センサＳｖと、記憶部２と、制御部３とを備える。

燃料電池ＦＣは、互いに直列接続される複数の燃料電池セルにより構成される燃料電池スタックであり、燃料ガス（水素ガスなど）に含まれる水素と酸化剤ガス（空気など）に含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる。

水素タンクＨＴは、燃料ガスの貯蔵容器である。水素タンクＨＴに貯蔵された燃料ガスは水素タンク弁ＨＴＶ及びインジェクタＩＮＪを介して燃料電池ＦＣに供給される。

水素タンク弁ＨＴＶは、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスを減圧する。

インジェクタＩＮＪは、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスの流量を調整する。

気液分離機ＧＬＳは、燃料電池ＦＣから排出される燃料ガスと液水とを分離する。

水素循環ポンプＨＰは、気液分離機ＧＬＳにより分離された燃料ガスを燃料電池ＦＣに再度供給する。

排気排水弁ＥＤＶは、気液分離機ＧＬＳにより分離された液水を外部に排出する。

エアコンプレッサＡＣＰは、酸化剤ガスを圧縮しインタークーラＩＣ及びエアシャット弁ＡＳＶを介して燃料電池ＦＣに供給する。

インタークーラＩＣは、酸化剤ガスをインタークーラＩＣに流れる冷却水などの冷媒と熱交換させる。

エアシャット弁ＡＳＶは、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスを遮断する。

エア調圧弁ＡＲＶは、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの圧力や流量を調整する。

ラジエタＲは、燃料電池ＦＣの発熱により温められた冷媒を外気と熱交換させる。

ファンＦは、ラジエタＲの放熱量を上昇させる。

ウォータポンプＷＰは、ラジエタＲにより冷却された冷媒をインタークーラＩＣを介して燃料電池ＦＣに供給する。

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、燃料電池ＦＣの後段に接続され、燃料電池ＦＣから出力される電力をエアコンプレッサＡＣＰや水素循環ポンプＨＰなどの補機及び蓄電装置Ｂに供給する。

蓄電装置Ｂは、リチウムイオンキャパシタなどにより構成され、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと負荷Ｌｏとの間に接続されている。また、蓄電装置Ｂは、負荷Ｌｏや補機に電力を供給する。

圧力センサＰａは、インタークーラＩＣとエアシャット弁ＡＳＶとの間に接続され、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの圧力を測定し、その測定した圧力を制御部３に送る。なお、圧力センサＰａの接続位置は、酸化剤ガスの圧力を測定することが可能であれば、特に限定されない。

流量センサＦａは、エアコンプレッサＡＣＰの入力段に接続され、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの流量（単位時間あたりに燃料電池ＦＣに供給される酸化材ガスの量）を測定し、その測定した流量を制御部３に送る。

圧力センサＰｈは、インジェクタＩＮＪと水素循環ポンプＨＰとの接続点と、燃料電池ＦＣとの間に接続され、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスの圧力を測定し、その測定した圧力を制御部３に送る。

温度センサＴは、サーミスタなどにより構成され、インタークーラＩＣと燃料電池ＦＣとの間に接続されている。また、温度センサＴは、燃料電池ＦＣに供給される冷媒の温度を測定し、その測定した温度を制御部３に送る。

電流センサＳｉは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、燃料電池ＦＣとＤＣＤＣコンバータＣＮＶとの間に接続されている。また、電流センサＳｉは、燃料電池ＦＣの出力電流を測定し、その測定した電流を制御部３に送る。

電圧センサＳｖは、分圧抵抗などにより構成され、燃料電池ＦＣとＤＣＤＣコンバータＣＮＶとの間に接続されている。また、電圧センサＳｖは、燃料電池ＦＣの出力電圧を測定し、その測定した出力電圧を制御部３に送る。

記憶部２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリにより構成され、後述する情報Ｍ１１などを記憶する。

制御部３は、マイクロコンピュータなどにより構成される。

また、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御時、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度以外のパラメータを取得する。例えば、制御部３は、水素の濃度以外のパラメータとして、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスの圧力及びストイキ、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの圧力及びストイキ、燃料電池ＦＣに供給される冷媒の温度及び流量、並びに燃料電池ＦＣの劣化度を取得する。なお、制御部３は、インジェクタＩＮＪの開度や水素循環ポンプＨＰの駆動用モータの回転数などに基づいて、燃料ガスの流量を算出する。また、制御部３は、ウォータポンプＷＰの駆動用モータの回転数に基づいて、冷媒の流量を算出する。また、制御部３は、燃料電池ＦＣから目標電力が出力されているときの燃料ガスの流量に対する、算出した燃料ガスの流量の割合を、燃料ガスのストイキとする。また、制御部３は、燃料電池ＦＣから目標電力が出力されているときの酸化剤ガスの流量に対する、流量センサＦａにより測定される流量の割合を、酸化剤ガスのストイキとする。

また、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御時、取得したパラメータと燃料電池ＦＣの出力電圧とに基づいて、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度を推定する。

また、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御時、蓄電装置Ｂの充電量に応じて、目標電力を変化させる。なお、充電量とは、蓄電装置Ｂの満充電容量に対する残容量の割合［％］（充電率）、または、蓄電装置Ｂに電流が流れていないときの蓄電装置Ｂの電圧［Ｖ］とする。

また、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御時、取得したパラメータと推定した水素の濃度とに基づいて、燃料電池ＦＣの出力電力が目標電力になるように、水素タンク弁ＨＴＶ、インジェクタＩＮＪ、水素循環ポンプＨＰ、排気排水弁ＥＤＶ、エアコンプレッサＡＣＰ、エア調圧弁ＡＲＶ、エアシャット弁ＡＳＶ、ファンＦ、及びウォータポンプＷＰなどの補機を駆動させる。

また、制御部３は、燃料電池ＦＣの出力電圧を用いて、燃料電池ＦＣの劣化度を推定する。

図２は、燃料電池ＦＣの劣化度を推定する方法を説明するための図である。なお、図２に示す２次元座標の横軸は燃料電池システム１の稼働日数［日］を示し、縦軸は燃料電池ＦＣの出力電圧［Ｖ］を示している。また、図２に示す実線円は、１日において複数回測定される燃料電池ＦＣの出力電圧の平均値を示している。また、図２に示す破線円は、過去に求められた複数の出力電圧の平均値に基づく出力電圧の推定値を示している。図２に示す例では、過去７日分の出力電圧の平均値に基づいて、８日目の出力電圧が推定されている。また、図２に示す２次元座標の横軸を燃料電池システム１の稼働合計時間としてもよい。

例えば、制御部３は、最小二乗法などの線形近似を用いて、過去７日分の出力電圧の平均値に近似する直線Ｌを図２に示す２次元座標上に形成した後、その直線Ｌと稼働日数８日目との交点を、稼働日数８日目における燃料電池ＦＣの出力電圧として推定する。次に、制御部３は、工場出荷時または使用当初の燃料電池ＦＣの出力電圧に対する、推定した出力電圧の割合を、稼働日数８日目における燃料電池ＦＣの劣化度とする。

図３は、複数のパラメータにそれぞれ対応する、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報（電池性能曲線）の一例を示す図である。なお、図３（ａ）～図３（ｈ）に示す各２次元座標の横軸は燃料電池ＦＣの出力電流として電流密度［Ａ／ｃｍ^２］を示し、縦軸は燃料電池ＦＣの出力電圧［Ｖ］を示している。また、電流密度は、燃料電池ＦＣの出力電流を、燃料電池ＦＣとＤＣＤＣコンバータＣＮＶとを接続する電力線の断面積で除算した値とする。また、図３（ａ）～図３（ｈ）に示す各２次元座標の横軸に対応するパラメータとして燃料電池ＦＣの出力電流［Ａ］を採用してもよい。

図３（ａ）に示す実線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が濃度Ｃ１であるにおける、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ１１を示している。また、図３（ａ）に示す破線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ１２を示している。なお、濃度Ｃ１＜基準濃度Ｃ２とする。また、情報Ｍ１１、Ｍ１２は、実験やシミュレーションなどにより予め求められ、記憶部２に記憶されているものとする。

図３（ｂ）に示す実線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスの圧力が圧力Ｐ１１である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ２１を示している。また、図２（ｂ）に示す破線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスの圧力が圧力Ｐ１２である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ２２を示している。なお、圧力Ｐ１１＜圧力Ｐ１２とする。また、情報Ｍ２１、Ｍ２２は、実験やシミュレーションなどにより予め求められ、記憶部２に記憶されているものとする。また、情報Ｍ２２において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧と、情報Ｍ２１において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧との電圧差を、電圧差ΔＶ２とする。

図３（ｃ）に示す実線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスのストイキがストイキＳ１１である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ３１を示している。また、図３（ｃ）に示す破線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスのストイキがストイキＳ１２である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ３２を示している。なお、ストイキＳ１１＜ストイキＳ１２とする。また、情報Ｍ３１、Ｍ３２は、実験やシミュレーションなどにより予め求められ、記憶部２に記憶されているものとする。また、情報Ｍ３２において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧と、情報Ｍ３１において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧との電圧差を、電圧差ΔＶ３とする。

図３（ｄ）に示す実線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの圧力が圧力Ｐ２１である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ４１を示している。また、図３（ｄ）に示す破線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの圧力が圧力Ｐ２２である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ４２を示している。また、図３（ｄ）に示す一点鎖線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの圧力が圧力Ｐ２３である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ４３を示している。なお、圧力Ｐ２１＜圧力Ｐ２２＜圧力Ｐ２３とする。また、情報Ｍ４１～Ｍ４３は、実験やシミュレーションなどにより予め求められ、記憶部２に記憶されているものとする。また、情報Ｍ４３における比較的大きい出力電流に対応する出力電圧と、情報Ｍ４１における比較的大きい出力電流に対応する出力電圧との電圧差を、電圧差ΔＶ４とする。また、電圧差ΔＶ４は、電圧差ΔＶ２または電圧差ΔＶ３に比べて、大きいものとする。

図３（ｅ）に示す実線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスのストイキがストイキＳ２１である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ５１を示している。また、図３（ｅ）に示す破線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスのストイキがストイキＳ２２である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ５２を示している。また、図３（ｅ）に示す一点鎖線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスのストイキがストイキＳ２３である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ５３を示している。なお、ストイキＳ２１＜ストイキＳ２２＜ストイキＳ２３とする。また、情報Ｍ５１～Ｍ５３は、実験やシミュレーションなどにより予め求められ、記憶部２に記憶されているものとする。また、情報Ｍ５３において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧と、情報Ｍ５１において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧との電圧差を、電圧差ΔＶ５とする。また、電圧差ΔＶ５は、電圧差ΔＶ２または電圧差ΔＶ３に比べて、大きいものとする。

図３（ｆ）に示す実線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される冷媒の温度が温度Ｔ１である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ６１を示している。また、図３（ｆ）に示す破線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される冷媒の温度が温度Ｔ２である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ６２を示している。また、図３（ｆ）に示す一点鎖線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される冷媒の温度が温度Ｔ３である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す図を示している。なお、温度Ｔ１＜温度Ｔ２＜温度Ｔ３とする。また、情報Ｍ６１～Ｍ６３は、実験やシミュレーションなどにより予め求められ、記憶部２に記憶されているものとする。また、情報Ｍ６３において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧と、情報Ｍ６１において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧との電圧差を、電圧差ΔＶ６とする。また、電圧差ΔＶ６は、電圧差ΔＶ２または電圧差ΔＶ３に比べて、大きいものとする。

図３（ｇ）に示す実線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される冷媒の流量が流量Ｆ１である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ７１を示している。また、図３（ｇ）に示す破線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣに供給される冷媒の流量が流量Ｆ２である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ７２を示している。なお、流量Ｆ１＜流量Ｆ２とする。また、情報Ｍ７１、Ｍ７２は、実験やシミュレーションなどにより予め求められ、記憶部２に記憶されているものとする。また、情報Ｍ７２において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧と、情報Ｍ７１において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧との電圧差を、電圧差ΔＶ７とする。また、電圧差ΔＶ７は、電圧差ΔＶ２または電圧差ΔＶ３に比べて、大きいものとする。

図３（ｈ）に示す実線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣの劣化度が劣化度Ｄ１である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ８１を示している。また、図３（ｈ）に示す破線は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガス内の水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣの劣化度が劣化度Ｄ２である場合における、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報Ｍ８２を示している。なお、劣化度Ｄ１＜劣化度Ｄ２とする。また、情報Ｍ８１、Ｍ８１は、実験やシミュレーションなどにより予め求められ、記憶部２に記憶されているものとする。また、情報Ｍ８２において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧と、情報Ｍ８１において比較的大きい出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧との電圧差を、電圧差ΔＶ８とする。また、電圧差ΔＶ８は、電圧差ΔＶ２または電圧差ΔＶ３に比べて、大きいものとする。

すなわち、図３（ｂ）に示す情報Ｍ２１、Ｍ２２のように、水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、燃料ガスの圧力が大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。そのため、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２において、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、燃料ガスの圧力が大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。例えば、燃料電池ＦＣの出力電流が出力電流Ｉｒｅである場合において、取得した燃料ガスの圧力が圧力Ｐ１１から圧力Ｐ１２に増加すると、圧力Ｐ１２と圧力Ｐ１１との差に相当する電圧差ΔＶ２に応じた電圧分、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２における出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧が増加する。

また、図３（ｃ）に示す情報Ｍ３１、Ｍ３２のように、水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、燃料ガスのストイキが大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。そのため、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２において、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、燃料ガスのストイキが大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。例えば、燃料電池ＦＣの出力電流が出力電流Ｉｒｅである場合において、取得した燃料ガスのストイキがストイキＳ１１からストイキＳ１２に増加すると、ストイキＳ１２とストイキＳ１１との差に相当する電圧差ΔＶ３に応じた電圧分、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２における出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧が増加する。

また、図３（ｄ）に示す情報Ｍ４１～Ｍ４３のように、水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣの出力電流が任意の電流である場合、酸化剤ガスの圧力が大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。そのため、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２において、酸化剤ガスの圧力が大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。例えば、燃料電池ＦＣの出力電流が出力電圧Ｉｒｅである場合において、取得した酸化剤ガスの圧力が圧力Ｐ２１から圧力Ｐ２３に増加すると、圧力Ｐ２３と圧力Ｐ２１との差に相当する電圧差ΔＶ４の電圧分、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２における出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧が増加する。

また、図３（ｅ）に示す情報Ｍ５１～Ｍ５３のように、水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、酸化剤ガスのストイキが大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。そのため、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２において、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、酸化剤ガスのストイキが大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。例えば、燃料電池ＦＣの出力電流が出力電流Ｉｒｅである場合において、取得した酸化剤ガスのストイキがストイキＳ２１からストイキＳ２３に増加すると、ストイキＳ２３とストイキＳ２１との差に相当する電圧差ΔＶ５に応じた電圧分、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２における出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧が増加する。

また、図３（ｆ）に示す情報Ｍ６１～Ｍ６３のように、水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、冷媒の温度が大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。そのため、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２において、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、冷媒の温度が大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。例えば、燃料電池ＦＣの出力電流が出力電流Ｉｒｅである場合において、取得した冷媒の温度が温度Ｔ１から温度Ｔ３に増加すると、温度Ｔ３と温度Ｔ１との差に相当する電圧差ΔＶ６に応じた電圧分、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２における出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧が増加する。

また、図３（ｇ）に示す情報Ｍ７１、Ｍ７２のように、水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、冷媒の流量が大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。そのため、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２において、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、冷媒の流量が大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が大きくなる。例えば、燃料電池ＦＣの出力電流が出力電流Ｉｒｅである場合において、取得した冷媒の流量が流量Ｆ１から流量Ｆ２に増加すると、流量Ｆ２と流量Ｆ１との差に相当する電圧差ΔＶ７に応じた電圧分、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２における出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧が増加する。

また、図３（ｈ）に示す情報Ｍ８１、Ｍ８２のように、水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合で、かつ、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、燃料電池ＦＣの劣化度が大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が小さくなる。そのため、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２において、燃料電池ＦＣの出力電流が比較的大きい場合、燃料電池ＦＣの劣化度が大きくなるほど、燃料電池ＦＣの出力電圧が小さくなる。例えば、燃料電池ＦＣの出力電流が出力電流Ｉｒｅである場合において、取得した燃料電池ＦＣの劣化度が劣化度Ｄ１から劣化度Ｄ２に増加した場合、劣化度Ｄ２と劣化度Ｄ１との差に相当する電圧差ΔＶ８に応じた電圧分、図３（ａ）に示す情報Ｍ１２における出力電流Ｉｒｅに対応する出力電圧が減少する。

このように、水素の濃度以外の複数のパラメータを用いて、水素の濃度が基準濃度Ｃ２である場合の情報Ｍ１２に示される出力電圧を変化させることができる。そのため、水素の濃度以外の複数のパラメータの影響を受けて変動した情報Ｍ１２´を求めることができる。

また、情報Ｍ１２´において電流センサＳｉにより測定された電流に対応する出力電圧と、電圧センサＳｖにより測定された電圧との電圧差ΔＶは、基準濃度Ｃ２と実際の水素の濃度との差と相関関係がある。そのため、電圧差ΔＶに基づいて、実際の水素の濃度を推定することができる。

すなわち、実施形態の燃料電池システム１は、水素の濃度以外のパラメータから情報Ｍ１２´を求め、その求めた情報Ｍ１２´において電流センサＳｉにより測定された電流に対応する出力電圧と電圧センサＳｖにより測定された電圧との電圧差ΔＶに基づいて水素の濃度を推定する。

上述したように、燃料電池ＦＣの出力電圧は燃料電池ＦＣにおける圧損や水素以外のガスの分圧の影響を受けて変化する場合がある。そのため、実施形態の燃料電池システム１のように、燃料電池ＦＣの出力電圧と水素の濃度以外のパラメータとから水素の濃度を推定することにより、燃料電池ＦＣにおける圧損や水素以外のガスの分圧の影響を受け難い状態で水素の濃度を推定することができる。これにより、燃料電池ＦＣにおける圧損や水素以外のガスの分圧が変化しても、水素の濃度を精度よく推定することができる。

また、実施形態の燃料電池システム１によれば、水素の濃度をオンタイムで取得することができるため、排気水素濃度を目標値と一致するようにコントロールすることができる。

また、実施形態の燃料電池システム１によれば、圧力センサＰａや流量センサＦａなどの既存のセンサを用いてパラメータを取得することができるため、パラメータを取得するためのセンサを新たに備える必要がなく、燃料電池システム１の製造コストの増大を抑制することができる。

図４は、制御部３の動作の一例を示す図である。

まず、制御部３は、車両Ｖｅのイグニッションがオンすると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、燃料電池システム１を起動し、水素の濃度以外のパラメータを取得する（ステップＳ１２）。例えば、制御部３は、運転者などによりイグニッションキーが操作された旨を、車両Ｖｅに搭載される不図示の走行制御部から受信すると、イグニッションがオンしたと判断する。

次に、制御部３は、ステップＳ１２で取得したパラメータに基づいて、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報を求め（ステップＳ１３）、電流センサＳｉ及び電圧センサＳｖにより燃料電池ＦＣの出力電流及び出力電圧を測定する（ステップＳ１４）。

そして、制御部３は、ステップＳ１３で求めた情報を参照してステップＳ１４で取得した出力電流に対応する出力電圧と、ステップＳ１４で取得した出力電圧との電圧差ΔＶを求め（ステップＳ１５）、その電圧差ΔＶに基づいて、燃料ガス内の水素の濃度を推定する（ステップＳ１６）。

なお、制御部３は、図５に示すように、車両Ｖｅのイグニッションがオンすることで燃料電池システム１が起動してから所定時間経過すると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ、ステップＳ１１´：Ｙｅｓ）、ステップＳ１２において、水素の濃度以外のパラメータを取得するように構成してもよい。これにより、比較的安定した後のパラメータを取得することができるため、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報を精度よく求めることができ、水素の濃度の推定精度をさらに向上させることができる。

図６は、水素濃度推定方法の一例を説明するための図である。なお、図６に示す２次元座標の横軸は燃料電池ＦＣの出力電流として電流密度［Ａ／ｃｍ^２］を示し、縦軸は燃料電池ＦＣの出力電圧［Ｖ］を示している。また、図６に示す実線は、酸化剤ガスの圧力やストイキなど、水素の濃度以外のパラメータを用いて求めた情報Ｍ１２´とする。また、電流センサＳｉにより電流Ｉｒｅが測定され、電圧センサＳｖにより電圧Ｖ１が測定される場合を想定する。

このような場合において、まず、制御部３は、車両Ｖｅのイグニッションがオンすると、燃料電池システム１を起動し、水素の濃度以外のパラメータとして、酸化剤ガスの圧力やストイキ、冷媒の温度や流量、及び燃料電池ＦＣの劣化度を取得する。このように、水素の濃度以外のパラメータとして、酸化剤ガスの圧力及びストイキ、冷媒の温度及び流量、並びに燃料電池の劣化度を取得する場合、パラメータの変化に伴う燃料電池ＦＣの出力電圧の変動量を比較的大きくすることができる。そのため、パラメータの誤差の影響を低減して、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報を求めることができ、水素の濃度の推定精度を向上させることができる。

なお、制御部３は、水素の濃度以外のパラメータとして、酸化剤ガスの圧力やストイキ、冷媒の温度や流量、及び燃料電池ＦＣの劣化度の他に、燃料ガスの圧力やストイキをさらに取得するように構成してもよい。このようにパラメータを増やすことにより、燃料電池ＦＣの出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報をさらに精度よく求めることができるため、水素の濃度の推定精度をさらに向上させることができる。

次に、制御部３は、取得したパラメータに基づいて、情報Ｍ１２´を求める。

次に、制御部３は、電流Ｉｒｅ及び電圧Ｖ１を測定し、情報Ｍ１２´と電流Ｉｒｅとの交点に対応する電圧Ｖ２と、電圧Ｖ１との電圧差ΔＶを求める。

そして、制御部３は、電圧差ΔＶに定数αを乗算した結果を、水素の濃度として推定する。なお、定数αは、燃料電池ＦＣから電流Ｉｒｅ及び電圧Ｖ１が出力されている場合における、基準濃度Ｃ２に対応する実際の水素濃度の割合とする。

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１ 燃料電池システム
２ 記憶部
３ 制御部
Ｖｅ 車両
Ｌｏ 負荷
ＦＣ 燃料電池
ＨＴ 水素タンク
ＨＴＶ 水素タンク弁
ＩＮＪ インジェクタ
ＧＬＳ 気液分離機
ＨＰ 水素循環ポンプ
ＥＤＶ 排気排水弁
ＡＣＰ エアコンプレッサ
ＡＲＶ エア調圧弁
ＡＳＶ エアシャット弁
Ｒ ラジエタ
Ｆ ファン
ＷＰ ウォータポンプ
ＩＣ インタークーラ
ＣＮＶ ＤＣＤＣコンバータ
Ｂ 蓄電装置
Ｐａ 圧力センサ
Ｆａ 流量センサ
Ｐｈ 圧力センサ
Ｔ 温度センサ
Ｓｉ 電流センサ
Ｓｖ 電圧センサ

Claims (5)

1. 複数のパラメータに基づいて燃料電池の発電を制御する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給される燃料ガス内の水素の濃度を推定する水素濃度推定方法であって、
   前記燃料電池システムは、
   前記複数のパラメータのうちの水素の濃度以外のパラメータを取得するステップと、
   前記水素の濃度以外のパラメータに基づいて、前記水素の基準濃度に対応する、前記燃料電池の出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報を求めるステップと、
   前記出力電流及び前記出力電圧を測定するステップと、
   前記情報において前記測定した出力電流に対応する前記出力電圧と前記測定した出力電圧との電圧差を求めるステップと、
   前記電圧差に基づいて、前記水素の濃度を推定するステップと、
   を有する水素濃度推定方法。
2. 請求項１に記載の水素濃度推定方法であって、
   前記燃料電池システムは、前記水素の濃度以外のパラメータとして、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力及びストイキ、前記燃料電池に供給される冷媒の温度及び流量、並びに前記燃料電池の劣化度を取得する
   ことを特徴とする水素濃度推定方法。
3. 請求項２に記載の水素濃度推定方法であって、
   前記燃料電池システムは、前記水素の濃度以外のパラメータとして、前記燃料ガスの圧力及びストイキをさらに取得する
   ことを特徴とする水素濃度推定方法。
4. 請求項１に記載の水素濃度推定方法であって、
   前記燃料電池システムは、前記燃料電池システムが起動してから所定時間経過後に、前記水素の濃度以外のパラメータを取得する
   ことを特徴とする水素濃度推定方法。
5. 燃料電池と、
   複数のパラメータに基づいて前記燃料電池の発電を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記複数のパラメータのうちの水素の濃度以外のパラメータに基づいて、前記水素の基準濃度に対応する、前記燃料電池の出力電流と出力電圧との相関関係を示す情報を求めるとともに、前記出力電流及び前記出力電圧を測定し、前記情報において前記測定した出力電流に対応する前記出力電圧と前記測定した出力電圧との電圧差に基づいて、前記水素の濃度を推定する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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