JPWO2010128555A1 - 燃料電池の水素濃度推定装置、燃料電池システム - Google Patents

Abstract

この発明は、インピーダンス円弧と水素濃度の相関を利用して、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる燃料電池の水素濃度推定装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。燃料電池システムが、燃料電池２と、インピーダンス測定装置３および制御装置５を備えている。制御装置５は、インピーダンス測定装置３と接続している。インピーダンス測定装置３は、交流インピーダンス法に従って燃料電池２のインピーダンスを測定するための装置である。制御装置５に、基準水素濃度に対応する判定値を予め記憶しておく。制御装置５が、この判定値と、インピーダンス測定装置３を介して取得したインピーダンスの実部Ｚ´とを比較する。Ｚ´が判定値以上であれば、制御装置５は、燃料電池２内部の水素濃度が基準水素濃度以下であると推定する。

Description

この発明は、燃料電池の水素濃度推定装置、燃料電池システムに関する。

従来、例えば、特開２００９−４１８０号公報に開示されているように、システム周辺装置を水素濃度に応じて制御する燃料電池システムが知られている。この従来の燃料電池システムは、燃料電池のアノード出口の下流側に、水素濃度センサを備えている。この水素濃度センサは、燃料電池のアノード出口から排出されたアノードオフガスの水素濃度を検知する。

上記従来の燃料電池システムは、水素濃度センサの出力に基づいて、燃料電池のアノード出口弁を制御している。このアノード出口弁は、具体的には、燃料電池内部の水素消費量に見合う量の水素が燃料電池に供給されるように制御される。上記公報によれば、このアノード出口弁制御の結果、アノード出口弁からの排出ガスの水素濃度を低くすることができる。

また、従来、燃料電池のインピーダンス測定を行うことにより燃料電池の状態（例えば、燃料電池の含水量）を調べる技術が知られている。燃料電池を対象にしたインピーダンス測定の方法として、交流インピーダンス法が知られている。

交流インピーダンス法の測定結果を、複素平面上に記す図示方法が知られている。この図示方法は、一般に、コールコールプロット（Cole-Cole Plot）と称される。コールコールプロットは、交流インピーダンス法において周波数を相違させつつ測定した複数のインピーダンス値を、複素平面上に記す図示方法である。コールコールプロット図において、複素平面上の複数のインピーダンスの点を通る曲線（すなわちインピーダンス値の軌跡）が、円弧（semicircle）を描くことが知られている。以下、この円弧を、「インピーダンス円弧（impedance semicircle）」とも呼称する。

例えば、特開２００８−８７５０号公報は、燃料電池に関する開示ではないが、インピーダンス円弧に基づいて過酸化水素の量を測る技術を開示している。

また、Naoki Ito et al., “Electrochemical analysis of hydrogen membrane fuel cells”, Journal of Power Sources 185 (2008) p.922-926.は、燃料電池に関し、インピーダンス円弧に基づく分析結果を開示している。この文献は、水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）における、電気化学的特性の評価結果を開示している。この文献のFig.1（b）（c）には、アノードの水素濃度やカソードの酸素濃度とインピーダンス円弧に関する図がある。

特開２００９−４１８０号公報 特開２００８−８７５０号公報 特開２００５−２０１６３９号公報

Naoki Ito et al., "Electrochemical analysis of hydrogen membrane fuel cells", Journal of Power Sources 185 (2008) p.922-926.

水素濃度に応じたシステム制御を正確に行うためには、燃料電池内部の水素濃度を正確に知ることが好ましい。燃料電池内部の水素濃度を知るための実用的な技術が、従来から切望されている。

本願発明者は、実験、研究を鋭意重ねることにより、インピーダンス円弧と燃料電池内部水素濃度との間に、水素濃度推定に用いることができる程に強い相関があることを見抜いた。さらに鋭意研究を進めた結果、本願発明者は、インピーダンス円弧と水素濃度の相関を利用して、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる水素濃度推定装置に想到した。

また、本願発明者がさらにこの相関について鋭意研究を進めた結果、この相関を利用した水素濃度推定の、精度向上を実現できる条件も見出された。

この発明は、インピーダンス円弧と水素濃度の相関を利用して、燃料電池内部の水素濃度を推定することのできる、燃料電池の水素濃度推定装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。

また、この発明の他の目的は、燃料電池内部の水素濃度に応じた制御を精度よく行うことができる燃料電池システムを提供することである。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスまたはアドミタンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記燃料電池のインピーダンス円弧が相対的に大きいときに水素濃度が相対的に低く推定されるように、前記燃料電池内部の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池のインピーダンスの実部の値を取得する手段と、
前記実部の値が所定値以上である場合に、前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下であると推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。

第３の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池のインピーダンスの虚部の値を取得する手段と、
前記虚部の値の絶対値が所定値以上である場合に、前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下であると推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。

第４の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さ、または前記数値に基づいて、前記燃料電池の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。

第５の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、Ｉ−Ｖ接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記Ｉ−Ｖ接線抵抗値に基づいて、前記燃料電池の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。

第６の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記燃料電池のインピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値と、前記燃料電池内部の水素濃度との関係を定めた水素濃度特性を記憶した記憶手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスまたは前記Ｉ−Ｖ接線抵抗値に基づいて、前記水素濃度特性に従って、前記燃料電池内部の水素濃度推定値を算出する推定値算出手段と、
を含むことを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至４および第６の発明のいずれか１つの発明において、
前記燃料電池の電圧がＯＣＶ（Open Circuit Voltage）未満となり、かつ、バイアス電圧が所定電圧以上となるように或いはバイアス電流が所定電流以下となるように、前記測定手段のインピーダンス測定中に前記燃料電池にバイアスを与える所定バイアス供給手段をさらに備えることを特徴とする。

また、第８の発明は、第７の発明において、
前記燃料電池のＯＣＶを取得するＯＣＶ取得手段と、
前記ＯＣＶ取得手段が取得したＯＣＶの値に基づいて、前記所定バイアス供給手段が前記燃料電池に与える前記バイアスの大きさを、補正するバイアス補正手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第９の発明は、第１乃至４および第６の発明のいずれか１つの発明において、
前記燃料電池のＯＣＶを取得するＯＣＶ取得手段と、
前記ＯＣＶ取得手段が取得したＯＣＶから所定値を減じることにより、目標バイアス電圧を算出する目標バイアス算出手段と、
前記測定手段のインピーダンス測定中に、前記目標バイアス電圧に基づいて、前記燃料電池にバイアスを与える目標バイアス供給手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第１０の発明は、第１乃至４および第６の発明のいずれか１つの発明において、
前記燃料電池のインピーダンスの低周波数域における周波数特性曲線が複素平面上で実質的に１つの円弧を描く程度の大きさの、バイアス電圧またはバイアス電流を、前記測定手段のインピーダンス測定中に前記燃料電池に与える特定バイアス供給手段をさらに備えることを特徴とする。

また、第１１の発明は、第１０の発明において、
前記低周波数域が、１００Ｈｚ〜０．１Ｈｚであることを特徴とする。

また、第１２の発明は、第６または第７の発明において、
前記測定手段が、
前記燃料電池の電流および電圧を計測するための計測手段と、
前記計測手段の計測値に基づいて、前記燃料電池のＩ−Ｖ特性上におけるＯＣＶ付近の所定部分の傾きを算出する手段と、
前記傾きに基づいて、前記Ｉ−Ｖ接線抵抗値を算出する手段と、
を含むことを特徴とする。

また、第１３の発明は、第１乃至第１２の発明のいずれか１つの発明において、
前記燃料電池内部の水分量を検知または推定する手段を備え、
前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値と、前記検知手段が検知または推定した前記水分量と、に基づいて前記燃料電池内部の水素濃度を推定することを特徴とする。

また、第１４の発明は、第１乃至第１３の発明のいずれか１つの発明において、
前記燃料電池が、固体高分子電解質型燃料電池であることを特徴とする。

第１５の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノード流路を有し該アノード流路に水素の供給を受けて発電する第１単位セルと、アノード流路を有し該アノード流路に水素の供給を受けて発電する第２単位セルと、を、備えた燃料電池と、
第１乃至第１３の発明のいずれか１つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記第１単位セルの前記アノード流路よりも、前記第２単位セルの前記アノード流路のほうが、圧力損失が大きく、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記第２単位セルのインピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記第２セルの水素濃度を推定することを特徴とする。

第１６の発明は、第１５の発明において、
前記燃料電池が、前記複数の単位セルのそれぞれの前記アノード流路出口に接続する出口マニホールドを備え、
前記出口マニホールドの出口に接続する弁を、更に備え、
前記第２単位セルのアノード流路出口と前記出口マニホールドとの合流部が、前記第１単位セルのアノード流路出口と前記出口マニホールドとの合流部よりも、流路断面積が小さいことを特徴とする。

第１７の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
第１乃至第１３の発明のいずれか１つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記燃料電池が、
それぞれが、入口と出口を備えたアノード流路を有し、該アノード流路に水素の供給を受けて発電する、複数の単位セルと、
前記複数の単位セルのうち第１群の単位セルの、前記アノード流路入口に接続する第１マニホールドと、
前記複数の単位セルのうち第２群の単位セルの、前記アノード流路出口に接続する第２マニホールドと、
前記第１群の単位セルの前記アノード流路出口と、前記第２群の単位セルの前記アノード流路入口と、に接続する第３マニホールドと、
を備え、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記第２群の単位セルの少なくとも１つの単位セルの、インピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記少なくとも１つの単位セルの水素濃度を推定することを特徴とする。

第１８の発明は、第１７の発明において、
前記複数の単位セルは、それぞれが平たい形状であり、
前記複数の単位セルは、それぞれ、入口と出口を有し前記アノード流路に対して所定方向を向くように設けられたカソード流路を備え、
前記燃料電池は、前記形状の前記単位セルが、それぞれの前記カソード流路の前記入口の位置と前記出口の位置とが揃うように重ねられた構成を有し、
前記第３マニホールドが、
前記第１群の単位セルの前記アノード流路出口に接続する第１の部分と、
前記第２群の単位セルの前記アノード流路入口に接続する第２の部分と、
前記第１群の単位セルと前記第２群の単位セルとの間に備えられ、前記第１群の単位セルの前記アノード流路と、前記第２群の単位セルの前記アノード流路とが、同じ方向を向くように、前記第１の部分と前記第２の部分とを接続するダミー流路と、を有することを特徴とする。

第１９の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素の供給を受けカソードに酸化剤ガスの供給を受けて発電する複数の単位セルが積層されることにより形成された単位セル積層体と、前記単位セル積層体を挟むプラス側エンドプレートとマイナス側エンドプレートと、を有する燃料電池スタックと、
第１乃至第１３の発明のいずれか１つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記単位セル積層体は、前記マイナス側エンドプレートに最も近い端側単位セルを含み、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記端側単位セルのインピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記端側単位セルの水素濃度を推定することを特徴とする。

また、第２０の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
電解質の表面にアノードが設けられた発電体と、前記発電体のアノード側表面に設けられたアノード流路と、を備えた燃料電池と、
前記発電体の前記アノード流路上における特定部分の、電流値および電圧値を計測する部分電気特性計測手段と、
第１乃至第１３の発明のいずれか１つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記部分電気特性計測手段の計測した前記電流値と前記電圧値とに基づいて、前記特定部分のインピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記特定部分の水素濃度を推定することを特徴とする。

また、第２１の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池を推定対象とする、第１乃至第１３の発明のいずれか１つの発明にかかる燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記制御手段が、前記水素濃度推定装置により得られた水素濃度の推定結果に基づいて前記システム周辺装置の制御を行う手段を、含むことを特徴とする。

また、第２２の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記燃料電池の、インピーダンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段が、前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、Ｉ−Ｖ接線抵抗値が所定の判定値以上である場合に前記燃料電池の発電量が低減するようにまたは発電が停止するように、前記測定手段による測定値に基づいて前記システム周辺装置を制御する発電制御手段を、含むことを特徴とする。

第２３の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池の、インピーダンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、Ｉ−Ｖ接線抵抗値が所定値以上である場合に前記パージが実行されるように、前記測定手段による測定値に基づいて前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２４の発明は、第２３の発明において、
前記パージ制御手段が、前記パージの実行中に前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、Ｉ−Ｖ接線抵抗値が所定値を下回った場合に前記パージが終了されるように、前記パージ機構を制御することを特徴とする。

また、第２５の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
を備え、
前記制御手段が、前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さまたは前記数値と、所定の判定値との比較に基づいて、前記燃料電池の発電状態を調節する発電調節手段を、含むことを特徴とする。

第２６の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さまたは前記数値と、所定の判定値との比較に基づいて、前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２７の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池のインピーダンスの位相を測定する測定手段と、
前記制御手段が、前記測定手段が測定した前記位相と所定位相との位相差に基づいて前記燃料電池の発電状態を調節する発電調節手段を、含むことを特徴とする。

第２８の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池のインピーダンスの位相を測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記位相と所定位相との位相差に基づいて、前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池のインピーダンスに基づいて、あるいはインピーダンスの逆数であるアドミタンスに基づいて、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる。燃料電池においては、燃料電池内部の水素濃度が低いほど、インピーダンス円弧が大きくなるという相関がある。燃料電池のインピーダンスまたはアドミタンスがインピーダンス円弧が大きい時の値を示していれば、この相関に従って燃料電池内部の水素濃度を相対的に低く推定することができる。結果、燃料電池のインピーダンスあるいはアドミタンスに基づいて、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる。

第２の発明によれば、燃料電池のインピーダンスの実部の値に基づいて、燃料電池の水素濃度が、所定濃度以下か否かを推定することができる。上述した相関が成立するので、燃料電池のインピーダンスの実部の値を所定値と比較すれば、その所定値に応じた水素濃度値と燃料電池内部の水素濃度との相対的関係を推定することができる。

第３の発明によれば、燃料電池のインピーダンスの虚部の値に基づいて、燃料電池の水素濃度を推定することができる。インピーダンスの虚部の値を用いることにより、インピーダンスの実部の値を用いる場合に比して、水素濃度の推定を高精度に行うことができる。

第４の発明によれば、インピーダンスの周波数特性のフィッティングカーブを求め、このフィッティングカーブの曲率または曲率半径を得ることができる。このインピーダンス円弧の曲率や曲率半径に基づいて、水素濃度推定を行うことができる。その結果、水素濃度とインピーダンス円弧の相関をより精密に利用して、精度の高い水素濃度推定を行うことができる。

第５の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる。すなわち、インピーダンスの実部の値と、Ｉ−Ｖ特性の接線の傾きの絶対値（「Ｉ−Ｖ接線抵抗値」とも称す）との間には、相関がある。このため、燃料電池内部の水素濃度とＩ−Ｖ接線抵抗値との間にも、相関がある。従って、Ｉ−Ｖ接線抵抗値に基づいて、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる。

第６の発明によれば、記憶手段が、燃料電池のインピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値と、燃料電池内部の水素濃度値との関係（水素濃度特性）を記憶している。第６の発明によれば、燃料電池のインピーダンス、アドミタンスあるいはＩ−Ｖ接線抵抗値の測定値が得られれば、記憶している水素濃度特性に従って、燃料電池内部の水素濃度値を計算により取得することができる。

第７の発明によれば、次の効果が得られる。すなわち、本願発明者は、水素濃度とインピーダンス円弧の相関の明瞭さが、燃料電池のバイアス条件に左右されることを発見した。バイアス電圧が低すぎる場合あるいはバイアス電流が大きすぎる場合には、水素濃度の推定精度が低下してしまう。第７の発明によれば、インピーダンス測定の際に、所定電圧以上のバイアス電圧あるいは所定電流以下のバイアス電流となるように、燃料電池へのバイアスを調整することができる。これにより、水素濃度の推定精度を確保することができる。

第８の発明によれば、燃料電池のＯＣＶが変化した場合であっても、インピーダンス測定時のバイアスを、水素濃度推定のための好適な条件に維持することができる。

第９の発明によれば、ＯＣＶの変化量に応じて、インピーダンス測定時の燃料電池へのバイアスの大きさを調節することができる。

第１０の発明によれば、水素濃度とインピーダンス円弧の相関が明瞭に表れる条件で、インピーダンスを測定できる。その結果、インピーダンスに基づく水素濃度推定を、高い精度で行うことができる。

第１１の発明によれば、１００Ｈｚ〜０．１Ｈｚの低周波数域において水素濃度とインピーダンス円弧の相関が明瞭に表れる条件で、インピーダンスを測定できる。

第１２の発明によれば、Ｉ−Ｖ特性上におけるＯＣＶ付近の所定区間の傾きに基づいて、水素濃度推定の基礎となるＩ−Ｖ接線抵抗値を取得することができる。その結果、Ｉ−Ｖ接線抵抗値に基づく水素濃度推定を、高い精度で行うことができる。

第１３の発明によれば、燃料電池内部の水分量の影響を、水素濃度の推定結果に反映させることができる。燃料電池内部の水分量は、インピーダンス円弧の表れ方に影響を及ぼす。第１３の発明によれば、水分量の影響により、水素濃度推定精度が低下してしまうのを防ぐことができる。

第１４の発明によれば、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる。

第１５の発明によれば、燃料電池内部において、低水素濃度部位の水素濃度を精度良く知ることができる。燃料電池が発電している間、第１、２単位セルのアノード流路間の圧力損失差に応じて、第２単位セルのアノード流路の水素濃度が相対的に低くなる。水素濃度推定装置が第２単位セルを対象に水素濃度推定を行うことにより、燃料電池の低水素濃度部分を対象に水素濃度推定を行うことができる。

第１６の発明では、第２単位セルのアノード流路出口の流路断面積が、相対的に小さい。このため、弁が開かれたときに出口マニホールド内のガスが排出される過程で、第２単位セルのアノード流路出口におけるガス流速を高めることができる。その結果、弁が開かれたときに、第２単位セルの内部からガスを抜き出すことができる。従って、水素濃度が低くなり易い第２単位セルのパージ効果を、高めることができる。

第１７の発明によれば、燃料電池内部において、低水素濃度部位の水素濃度を精度良く知ることができる。第１群の単位セルのアノード流路出口が、第３マニホールドを介して、第２群の単位セルのアノード流路入口に接続している。その結果、第２群の単位セルのアノード流路の水素濃度は、相対的に低くなる。第１７の発明によれば、水素濃度推定装置が、第２単位セルを対象に水素濃度推定を行う。よって、燃料電池の低水素濃度部分を対象に水素濃度推定を行うことができる。

第１８の発明によれば、第１７の発明において、第１群の単位セルと第２群の単位セルとの間で、アノードの水素の流れとカソードの酸化剤の流れの方向をそろえることができる。

第１９の発明によれば、燃料電池を構成する複数の単位セルのうち、残留水の問題が生じ易い単位セルの水素濃度を、精度良く推定することができる。

第２０の発明によれば、燃料電池内部の特定部分の水素濃度を、当該特定部分の電気的計測値に基づいて、推定することができる。

第２１の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度に応じた制御を精度よく行うことができる。

第２２の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度が判定値に応じた水素濃度よりも低いときには、燃料電池の発電量低減または発電停止を行うことができる。

第２３の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度に応じて、過不足無くパージを行うことができる。その結果、水素欠防止と燃費低下抑制とを両立することができる。

第２４の発明によれば、第２３の発明において、燃料電池内部の水素濃度に応じて、必要以上にパージがなされることを回避できる。その結果、燃費低下をより一層抑制できる。

第２５の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度が判定値に応じた水素濃度よりも低いときには、燃料電池の発電量低減または発電停止を行うことができる。

第２６の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度に応じて、過不足無くパージを行うことができる。その結果、水素欠防止と燃費低下抑制とを両立することができる。

第２７の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度が所定位相に応じた水素濃度よりも低いときには、燃料電池の発電量低減または発電停止を行うことができる。

第２８の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度に応じて、過不足無くパージを行うことができる。その結果、水素欠防止と燃費低下抑制とを両立することができる。

本発明の実施の形態１の実施例１にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。 本願発明者が行った実験結果を、コールコールプロットによりまとめた図である。 燃料電池の電流電圧特性とＩ−Ｖ接線とを示す図である。 燃料電池のバイアス電圧が１．０Ｖの条件で、図２と同様にコールコールプロット図を作成した図である。 燃料電池のバイアス電圧が０．６Ｖ以下の条件で、図２と同様にコールコールプロットにより作成した図である。 インピーダンス円弧の大きさと電流密度との関係を説明するための図である。 インピーダンス円弧に対する燃料電池の水分量の影響を説明するための模式図である。 実施の形態１の実施例１において制御装置が実行するルーチンのフローチャートである。 実施の形態１の実施例１において制御装置が実行するルーチンのフローチャートの他の例である。 実施の形態１の実施例２にかかる燃料電池システムの構成を示す図と、単位セルの構成を示す平面図である。 実施の形態１の実施例２においてＥＣＵ（Electronic Control Unit）が実行するルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２の実施例１にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。 実施の形態２の実施例１にかかる変形例を示す図である。 実施の形態２の実施例１において、ＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 実施の形態２の実施例２にかかる燃料電池システムの構成を示す図と、燃料電池スタックの拡大断面図である。 実施の形態２の実施例２において、ＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 実施の形態２の実施例３にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。 図１７における単位セル２０２、２４４の隣接部分を拡大した図である。 本発明の実施の形態３にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。 実施の形態３においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 実施の形態３の変形例の燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態４にかかる単位セルの構成を示す平面図である。 図２２のＡ−Ａに沿って単位セル４００を切断した断面図と、図２２における端子４２０近傍を拡大した図である。 実施の形態４の燃料電池システムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。 実施の形態４の燃料電池システムの制御動作を説明するための図である。 実施の形態４に対する比較例を示す図である。 実施の形態４の燃料電池システムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態５にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。 実施の形態５においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 水素濃度センサを使用して実施の形態５にかかる制御動作を行う場合の燃料電池システムの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態６にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。 実施の形態６における単位セルの平面図である。 本発明の実施の形態６においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態７においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態８にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。 実施の形態８の燃料電池システムの動作を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態８においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 実施の形態８の比較例として示す燃料電池スタックの、内部構成の模式図である。 本発明の実施の形態９の実施例１にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。 実施の形態９にかかる単位セルの構成を示す平面図である。 実施の形態９の実施例１においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 実施の形態９の実施例２においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。

２ 燃料電池
３ インピーダンス測定装置
４ 負荷
５ 制御装置
１０ 燃料電池スタック
１２、１４、１６ 管路
２０ 単位セル
２４ 下流部分
５０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
５２ 電流計
５４ 電圧計
５６ パージ弁
２００、２４０、２６４ 燃料電池スタック
２０２、２４４、２８４ 単位セル
２０４ 高圧損単位セル
２１０、２１２、２５４、２５６ マニホールド
２１４ 詰物
２１６、２５８ 排気弁
２２０ ＥＣＵ
２２２ インピーダンス測定装置
２５３ 蓋
２５５、２５７ 仕切
２７０ ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）
２７２ カソードガス流路
２７４ アノードガス流路
２７５、２７７、２９４ カソード側セパレータ
２７６、２９２ アノード側セパレータ
２９０ ダミー流路
３００ 燃料電池スタック
３０２、３０４ 単位セル
３０６、３０８ エンドプレート
３１２ パージ弁
３１４ エアポンプ
３２０ ＥＣＵ
３２２ インピーダンス測定装置
３６２ 対策セル
４００ 単位セル
４０４ ガス入口
４０６ ガス出口
４２０ 端子
４２２ コード
４２４ 電極
４２６ 絶縁シール
４３０ インピーダンス測定装置
５１０ 燃料電池
５１２、５１４ 管路
５１６ 水素ポンプ
５１８ パージ弁
５２０ インピーダンス測定装置
５２２ ＥＣＵ
５５０ 水素濃度センサ
６００ 燃料電池スタック
６０２ 単位セル
６０４ 電流検知板
６０６、６０８ 管路
６２０ ＥＣＵ
８００ 燃料電池スタック
８０２、８０４、８０６ 単位セル
８１０ アノードマニホールド
８１４ アノード入口弁
８１６ アノード出口弁
８２２ インピーダンス測定装置
９１０ 燃料電池スタック
９１２ バイパス管路
９２０ 単位セル
９２２ 部分
９２４ 出口
９３０ 検知用セル

以下、本発明を実施するための形態である実施の形態１〜９をそれぞれ説明する。
実施の形態１によれば、本発明にかかる水素濃度推定装置およびそれを用いた燃料電池システムの基本的な形態が提供される。
実施の形態２〜９によれば、実施の形態１の水素濃度推定技術を活用した燃料電池システムが提供される。

実施の形態１．
［実施の形態１の実施例１］
＜実施の形態１の実施例１のシステム構成＞
図１は、本発明の実施の形態１の実施例１にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例にかかる燃料電池システムは、燃料電池２と、燃料電池２に接続されたインピーダンス測定装置３および負荷４を備えている。制御装置５は、インピーダンス測定装置３および負荷４と接続している。インピーダンス測定装置３は、交流インピーダンス法に従って燃料電池２のインピーダンスを測定するための装置である。

図示しないが、本実施例の燃料電池システムは、燃料電池２に水素を供給するための水素系と、燃料電池２に空気を供給するための空気系とを備えている。水素系には、水素供給量を調節する水素系機器（図示略）が備えられる。空気系には、空気供給量を調節する空気系機器（図示略）が備えられる。また、必要に応じて、燃料電池２を冷却するための冷却系を、システムが搭載していても良い。

燃料電池２は、アノードに水素の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて、水素と酸素の電気化学的反応により発電する。燃料電池２の具体的構成には、限定はない。固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）といった様々なタイプの構成を、燃料電池２の構成として用いることができる。

制御装置５は、インピーダンス測定装置３を介して、燃料電池２のインピーダンスを取得することができる。制御装置５は、各種プログラム、データの記憶が可能な記憶装置（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭその他）を内蔵している。また、制御装置５は、演算処理を実行することができる演算装置（例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵ、マイクロコンピュータ）を内蔵している。また、制御装置５は、上述した水素系機器や空気系機器とも接続し、それらの機器を制御することができる。

なお、燃料電池に対して交流インピーダンス法を適用する技術や、測定結果からインピーダンスを数値として得るための技術は、既に公知技術であり、新規な事項ではない。従って、インピーダンス測定装置３の具体的構成や、制御装置５の処理内容については、詳細な説明は行わない。

＜実施の形態１にかかる水素濃度推定＞
以下、本発明の実施の形態１にかかる水素濃度推定の内容を説明する。説明は、下記（１）〜（４）の順番でそれぞれ行う。
（１）本願発明者が行った、実験およびその実験結果の分析
（２）水素濃度推定の具体的手法
（３）高精度な水素濃度推定のための燃料電池のバイアス条件
（４）水分量の影響
実施の形態１の実施例１の燃料電池システムは、以下説明する水素濃度推定手法に従って、燃料電池２の水素濃度推定を行うことができる。

（１）本願発明者が行った、実験およびその実験結果の分析
水素濃度推定の具体的手法の説明に先立って、本願発明者が行った、実験およびその実験結果の分析を説明する。図２は、本願発明者が行った実験結果（水素濃度に応じたインピーダンス測定結果）を、コールコールプロット(Cole-Cole Plot、複素平面表示)によりまとめた図である。

測定条件は、面積が１３ｃｍ^２の膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）に対して、バイアス電圧Vbiasを０．９Ｖ、振幅を±５０ｍＶ、周波数は１００Ｈｚ〜０．１Ｈｚとした。ＭＥＡのカソードに空気を供給し、ＭＥＡのアノードには水素と窒素の混合ガスを流した。混合ガスの水素濃度は、０％〜８０％で変化させた。この条件で、交流インピーダンス法に従って、周波数に応じたインピーダンスをコールコールプロット図としてまとめた。

なお、インピーダンスの周波数特性を表した曲線（インピーダンス値の軌跡）が、複素平面上に円弧（semicircle）を描くことが知られている。以下、この円弧を、「インピーダンス円弧」とも呼称する。

図２の結果によれば、水素濃度０％の場合を除き、水素濃度が高くなるにつれインピーダンス円弧が徐々に小さくなっている。発電中に燃料電池内部（アノード）の水素濃度が低下すると、過電圧に微小量の変化が現れる。この過電圧が、コールコールプロット図上のインピーダンス円弧の大きさを変化させる。その結果、図２において、インピーダンス円弧が、水素濃度の低下に応じて、徐々に大きくなっている。水素濃度が高いほど、インピーダンス円弧の直径は小さくなり、インピーダンス円弧の曲率半径が小さく、つまり曲率が大きくなっている。

図２は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）に関する実験結果である。固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）といった他のタイプの燃料電池も、原理的共通性があるため、同様の傾向を示すと考えられる。

（２）水素濃度推定の具体的手法
そこで、本願発明者は、インピーダンス円弧と水素濃度の相関を、燃料電池内部の水素濃度推定へ利用することに想到した。本願発明者は、いくつかの好ましい具体的手法を見出している。それらの好ましい具体的手法を、下記（i）〜（iV）に列挙する。制御装置５が下記（i）〜（iV）の少なくとも１つを実行することにより、燃料電池２の水素濃度推定を行うことができる。

（i）インピーダンスの実部Ｚ´あるいは虚部Ｚ´´
図２に示すように、Ｚ´は、水素濃度が低いほど、大きな値を取る。そこで、Ｚ´が所定値以上ならば、燃料電池内部の水素濃度が、この所定値相当の水素濃度と比べて同じまたは低い濃度であると推定することができる。

具体的には、本実施例においては、先ず、制御装置５に、基準水素濃度に対応する判定値を予め記憶しておく。制御装置５が、この判定値と、インピーダンス測定装置３を介して取得したインピーダンスの実部Ｚ´とを比較する。Ｚ´が判定値以上であれば、制御装置５は、燃料電池２内部の水素濃度が基準水素濃度以下であると判定する。逆に、制御装置５は、Ｚ´が判定値を境に小さい側の値であるときには、水素濃度が、基準水素濃度より低くないつまり基準水素濃度より高いと判定する。以上により、燃料電池２内部の水素濃度が、所定の基準水素濃度とくらべて高いか低いかが推定される。

例えば図２では、インピーダンス円弧の最も右の値は０．１Ｈｚの測定点である。図２において０．１ＨｚのＺ´を見ると、０．６Ωの右側には水素濃度４０％以下のときのＺ´の点がプロットされている。判定値を０．６Ωと定めることにより、０．１ＨｚのＺ´が判定値以下であれば水素濃度が少なくとも４０％以上であると推定することができる。

また、図２に示すように、Ｚ´´の値も、水素濃度に応じて変化する。従って、Ｚ´と同様に、所定の判定値との比較による推定を行うことができる。図２に示すように、インピーダンスの虚部の値の絶対値|Ｚ´´|は、Ｚ´と同じく水素濃度が低いほど大きくなる。しかし、図２に示すように実部の値と虚部の値とでは符号が逆であり、Ｚ´´はマイナス方向に大きくなる傾向を示す。よって、Ｚ´´を利用する場合は、制御装置５は、|Ｚ´´|が所定判定値以上のときには基準水素濃度以下であるという判定を下す。

具体的には、例えば、図２において０．１ＨｚのＺ´´を見ると、０〜−０．１Ωの範囲内に、水素濃度４０％のＺ´´の点がプロットされている。また、−０．１〜−０．２Ωの範囲内に、水素濃度２０％のときのＺ´´の点がプロットされている。例えば０．１Ｈｚのインピーダンス測定値において、判定値を０．１Ωと定めた場合、|Ｚ´´|がこの判定値以上のとき（すなわち、|Ｚ´´|≧０．１Ωのとき）には、水素濃度が４０％よりも低いと推定できる。

また、予め、Ｚ´やＺ´´と水素濃度との対応関係を定めた水素濃度特性マップを作成しておき、この水素濃度特性マップを制御装置５に記憶しておいてもよい。制御装置５が、この水素濃度特性マップに従って、Ｚ´やＺ´´に基づく水素濃度推定値の計算処理を実行してもよい。Ｚ´についての水素濃度特性マップは、Ｚ´が大きいほど水素濃度が低くなるように、定めることができる。また、Ｚ´´についての水素濃度特性マップは、Ｚ´´の絶対値|Ｚ´´|が大きいほど水素濃度が低くなるように、定めることができる。Ｚ´あるいはＺ´と、水素濃度との関係は、曲線的特性、直線的特性、若しくはステップ状の特性、或いは、折れ線グラフ的な特性として定めることができる。

（ii）インピーダンス円弧の曲率半径ρあるいは曲率ｋその他の数値
図２に示すように、水素濃度の低下に応じて、インピーダンス円弧が徐々に大きくなっている。インピーダンス円弧の曲率半径ρや曲率ｋを用いて、水素濃度推定を行うこともできる。すなわち、制御装置５が、基準水素濃度に対するインピーダンス円弧のρやｋを、判定値として予め記憶してもよい。或いは、制御装置５が、水素濃度ごとの複数のインピーダンス円弧に応じた複数のρやｋを、水素濃度特性マップとして記憶してもよい。

一方、この場合には、制御装置５に、インピーダンス円弧のフィッティングカーブ（近似曲線）を取得するためのフィッティング用プログラムを記憶させておく。これにより、制御装置５は、インピーダンス測定装置３を介して得たインピーダンスの値（例えば４つの値）に基づいて、インピーダンス円弧のフィッティングカーブを計算により取得することができる。制御装置５は、フィッティングの結果から、フィッティングカーブの曲率半径ρや曲率ｋを取得することができる。制御装置５は、フィッティングカーブから求めたρやｋと、判定値や水素濃度特性マップ値との比較照合を行う。これにより、水素濃度とインピーダンス円弧の相関をより精密に利用して、燃料電池２の水素濃度を高い精度で推定することができる。

なお、ここで用いるフィッティング用プログラムは、公知の様々な計算方法のプログラムを使用することができる。フィッティング用プログラムは、フィッティング計算の過程で、フィッティングカーブの形状や大きさと関連するパラメータを算定する点では共通する。これらのパラメータは、曲率半径や曲率と同じく、インピーダンス円弧の大きさや形状に相関を有する。従って、こういったパラメータを、インピーダンス円弧と相関を有する値として、水素濃度推定のために用いることもできる。

（iii）燃料電池のＩ−Ｖ接線抵抗値
図３は、燃料電池の電流電圧特性（以下、「Ｉ−Ｖ特性」とも呼称する）と、燃料電池のＩ−Ｖ接線とを示す図である。本実施形態では、図３に示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線上のある点における接線を、この点における「Ｉ−Ｖ接線」と呼称する。また、この接線の傾きの絶対値を「Ｉ−Ｖ接線抵抗値」と呼称し、|ΔＶ|／|ΔＩ|とも記す。Ｉ−Ｖ接線抵抗値は、Ｉ−Ｖ接線の方向係数の絶対値（電圧Ｖをｙ軸とし電流Ｉをｘ軸とした場合のｙ＝ａｘ＋ｂにおける、“ａ”の絶対値|ａ|）に相当する。

インピーダンスの実部Ｚ´の値と、Ｉ−Ｖ接線抵抗値との間には相関がある。具体的には、Ｚ´が大きいほど、Ｉ−Ｖ接線の傾きが急になり、Ｉ−Ｖ接線抵抗値が大きい値になる。従って、Ｉ−Ｖ接線抵抗値を、インピーダンスの実部Ｚ´の値と同様に、本実施形態にかかる水素濃度推定に使用することができる。

Ｉ−Ｖ接線抵抗値は、次に述べる手順を制御装置５に実行させることにより、取得することができる。燃料電池２に電流計と電圧計を接続しておき、燃料電池２のＩ−Ｖ特性上の２つの動作点（（Ｖ_１、Ｉ_１）および（Ｖ_２、Ｉ_２）とする）を取得する。この２つの点の距離（区間）は可能な限り微小とすることが好ましい。次いで、制御装置５は、下記の式に従って|ΔＶ|／|ΔＩ|を計算する計算処理を実行する。
|ΔＶ|／|ΔＩ| ＝ ｜Ｖ_１−Ｖ_２｜／｜Ｉ_１−Ｉ_２｜
この後、|ΔＶ|／|ΔＩ|をＺ´と同じように取り扱って、上記（i）に記載した水素濃度推定を行うことができる。なお、|ΔＶ|／|ΔＩ|は、３点以上の複数の点に基づく計算により求められてもよい。但し、複数点のうち両端点の距離は、可能な限り微小であることが好ましい。また、ＯＣＶに近い複数の電圧値、言い換えれば複数の微小電流値で、|ΔＶ|／|ΔＩ|を取得することが好ましい。

（iv）その他のバリエーション
図２からも明らかなように、上記の（i）〜（iii）の他に、インピーダンスの位相θあるいは絶対値|Ｚ|や、フィッティングカーブ長さＬ（円弧長）も、インピーダンス円弧の大きさに応じて変化する。従って、これらの値を上記のＺ´などと同様に利用して、判定値との比較やマップに基づく推定値算出を行っても良い。

上記（i）〜（iV）のいずれか１つを制御装置５に実行させることにより、燃料電池２内部の水素濃度を推定することができる。

なお、（i）の欄で述べたのと同様に、（ii）〜（iv）でも水素濃度特性マップを用いた推定値の計算を行うことができる。つまり、制御装置５が、ρ、ｋ、|ΔＶ|／|ΔＩ|、|Ｚ|、θあるいはＬと、水素濃度との関係を定めた水素濃度特性マップを予め記憶してもよい。制御装置５が、記憶した水素濃度特性マップを利用して、水素濃度推定値の計算処理を実行してもよい。なお、Ｉ−Ｖ接線抵抗値やインピーダンスの実部の値を用いる場合に比して、虚部の値や、絶対値および位相角を用いることにより高精度の水素濃度推定精度が可能である。

（３）高精度な水素濃度推定のための燃料電池のバイアス条件
本願発明者は、水素濃度とインピーダンス円弧の相関の明瞭さが、燃料電池のバイアス条件に大きく左右されることを発見した。図２は、交流インピーダンス法において、バイアス電圧を０．９Ｖにした条件で作成したコールコールプロット図である。本願発明者は、バイアス電圧を０．９Ｖ以外の複数の値に設定しつつ、いくつかのコールコールプロット図を図２と同様に作成した。本願発明者の実験結果では、水素濃度とインピーダンス円弧の相関を、０．６Ｖ以上１．０Ｖ未満のバイアス電圧範囲（より好ましくは０．７Ｖ〜１．０Ｖ未満）において、良好に識別できた。図４および図５は、燃料電池のバイアス電圧が１．０Ｖまたは０．６Ｖ以下の条件で、図２と同様にコールコールプロット図を作成した図である。図４は、バイアス電圧が１．０Ｖの場合であり、これはＯＣＶ状態に相当する結果である。バイアス電圧が１．０Ｖに達した場合には、図４に示すようにインピーダンス円弧は観測されなかった。図５は、バイアス電圧が０．６以下の場合であり、インピーダンス円弧はもはや観測できない。ただし、図５の結果が得られた理由には、実験に使用したインピーダンス測定装置の仕様の影響があると、本願発明者は考えている。

本願発明者は、鋭意研究を進めた結果、実施の形態１にかかる水素濃度推定を行う上で、高いバイアス電圧が好適であることを見出した。以下、その理由を説明する。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、インピーダンス円弧の大きさと電流密度との関係を説明するための図である。図６（ａ）のＩ−Ｖ特性上の点Ａ、Ｂ、Ｃと、図６（ｂ）のコールコールプロット図中のインピーダンス円弧Ａ、Ｂ、Ｃが、それぞれ対応する。
過電圧が下記のターフェル式に従うことが知られており、過電圧は電流の対数と比例する。
Ｖ ＝ ａ−ｂ×ｌｏｇ（Ｉ）
過電圧を抵抗値で表現すると、下記の式が成立する。
Ｉ×Ｒ ＝ ａ−ｂ×ｌｏｇ（Ｉ）
Ｉが大きいほどＲは小さくなるため、電流密度が小さいほどつまりＣ、Ｂ、Ａの順にインピーダンス円弧は大きくなる。

水素濃度変化に伴う過電圧増減が、インピーダンスの実部（燃料電池の内部抵抗）の増大として現れる。これにより、水素濃度とインピーダンス円弧との相関が生じている。ここで述べている過電圧変化は微小であり、例えばＩ−Ｖ特性上からはほとんど識別できない。この微小な過電圧変化を精度よく識別できれば、水素濃度変化を高精度に推定できる。そのためには、インピーダンス円弧が大きめになる高バイアス電圧で、インピーダンスを測定、評価することが有効である。

また、既述したように、インピーダンス円弧と水素濃度との相関は、水素濃度に応じた微小な過電圧変化に由来する。燃料電池の出力電流が大きい場合、発電生成水の影響や、抵抗過電圧や濃度過電圧といった様々なノイズがインピーダンス円弧を歪ませる。燃料電池の出力電流が十分に小さければ、すなわちバイアス電圧を高めにすれば、それらのノイズを十分に排除することができる。

これらの事項を総合すると、ノイズが少なくかつサイズが大きめのインピーダンス円弧が表れる条件である高バイアス電圧が、好適である。

そこで、本実施例に係る燃料電池システムにおいて、制御装置５が、下記（i）〜（iii）のいずれか１つを実行してもよい。

（i）第１のバイアス条件
制御装置５が、所定電圧以上のバイアス電圧となるように、インピーダンス測定の際における燃料電池２のバイアス電圧を調整してもよい。これにより、水素濃度推定用のインピーダンス測定を行う際に、バイアス電圧が低くなりすぎることを防止できる。その結果、水素濃度の推定精度を確保することができる。

バイアス電圧がＯＣＶ未満の高い電圧に設定されることにより、水素濃度の相違に応じたインピーダンス円弧の大きさの相違が、図２に示すように明瞭に表れる。本願発明者の知見によれば、バイアス電圧が燃料電池の開回路電圧（Open Circuit Voltage：ＯＣＶ）に一層近いほど、インピーダンス円弧の円弧形状がきれいになる（ノイズが少なくなる）。このため、バイアス電圧は、ＯＣＶ未満の電圧であって且つできるだけＯＣＶに近い高電圧（例えばＯＣＶマイナス０．３〜０．１Ｖ、或いはそれよりも小さい差）が好ましい。

また、燃料電池に高バイアス電圧を与える状態は、燃料電池に低バイアス電流を与えることによっても同様に実現できる。従って、インピーダンス測定時に、燃料電池２のバイアス電流を所定電流以下に調節してもよい。バイアス電流は、できるだけ低い値が好ましい。

（ii）バイアス補正
燃料電池のＯＣＶは一定ではなく、例えば燃料電池の経年劣化によりＯＣＶは低下する。そこで、制御装置５が、燃料電池２のＯＣＶを定期的に検知し、バイアス電圧がＯＣＶ付近に維持されるように、バイアス値を補正してもよい。ＯＣＶの値は、電圧計（例えばセル電圧モニタ）を用いて適宜に取得されればよい。これにより、燃料電池２のＯＣＶが変化した場合であっても、インピーダンス測定時の燃料電池２へのバイアスを、水素濃度推定のための好適な条件に維持することができる。

また、制御装置５が、ＯＣＶから所定値を減じることにより目標バイアス電圧を算出してもよい。この目標バイアス電圧に基づいて、制御装置５が、インピーダンス測定中にバイアス電圧やバイアス電流を調節してもよい。これにより、ＯＣＶの変化量に応じて、インピーダンス測定時の燃料電池２へのバイアスの大きさを調節することができる。従って、ＯＣＶの増加や減少に追随するように、バイアス電圧やバイアス電流を増減することができる。

（iii）第２のバイアス条件
上記の非特許文献１「Naoki Ito et al., “Electrochemical analysis of hydrogen membrane fuel cells”, Journal of Power Sources 185 (2008) p.922-926.」は、水素分離膜型燃料電池における電気化学的特性評価の結果を開示している。

非特許文献１のFig.1（b）（c）には、それぞれ、アノードの水素濃度やカソードの酸素濃度とインピーダンス円弧に関する測定結果が示されている。しかしながら、非特許文献１のFig.1（b）（c）のインピーダンス円弧は非常に歪んでおり、また、水素濃度ごとに、２０００Ｈｚ（２ｋＨｚ）以下の低周波数域に２つのインピーダンス円弧が表れている。

一方、図２に示した実験結果では、１００Ｈｚ〜０．１Ｈｚにかけてのインピーダンス円弧が１つの円弧として表れている。また、個々のインピーダンス円弧の形もノイズの少ないクリアな円弧である。

既述したように、インピーダンス円弧と水素濃度との相関は、水素濃度に応じた微小な過電圧変化に由来する。燃料電池の出力電流を十分に低くすれば、ノイズの影響が十分に排除される。このとき、図２のように低周波数域におけるインピーダンス円弧がそれぞれ１つの円弧として秩序立って表れる。

そこで、インピーダンス測定時の燃料電池２のバイアス電圧またはバイアス電流を、低周波数域のインピーダンス円弧が１つの円弧として表れる程度に高いバイアス電圧（または低いバイアス電流）に定めることが好ましい。このバイアス値は、インピーダンス測定の対象となる燃料電池の具体的構成によって左右されるものの、対象の燃料電池のインピーダンス円弧を実際に調べることによって特定可能である。制御装置５が、そのような特定バイアス値を記憶しておき、インピーダンス測定時に燃料電池２のバイアス電圧をこの特定バイアス値に調節してもよい。

この特定バイアス値を基点として、高い電圧、或いは低い電流となるバイアスであれば、インピーダンス円弧が１つの円弧として表れる。よって、この特定バイアス値よりも高いバイアス電圧または低いバイアス電流を、燃料電池２に与えても良い。

これにより、水素濃度の影響がインピーダンス円弧にはっきりと表れる条件で、インピーダンス測定を行うことができる。その結果、制御装置５が実行する水素濃度推定処理が、高い精度で行われる。

なお、通常、交流インピーダンス測定は、１０ｋＨｚ〜０．１Ｈｚの周波数域で行われる。一方、前述したように、図２に示したインピーダンス円弧は、この通常周波数域に比して低めの周波数域である１００Ｈｚ〜０．１Ｈｚにおいて得られた。そこで、この１００Ｈｚ〜０．１Ｈｚの低周波数域でのインピーダンス円弧が１つの円弧として表れる程度に、上述した特定バイアス値を定めてもよい。

なお、上述したバイアス条件によれば、下記に述べるように、燃料電池特有の顕著な効果を得ることができる。

燃料電池は、低水素濃度時の劣化という特有の事情も抱えている。このため、低水素濃度のときには、燃料電池２の出力電流を大きくすることは避けたい。一方、既述したように、インピーダンス測定時のバイアスを燃料電池の出力電流を少なくするように定めるほうが、水素濃度に応じたインピーダンス円弧の変化が明瞭になる。つまり、ＯＣＶ付近の高バイアス電圧は、水素濃度の推定精度向上と、燃料電池２の劣化抑制という２つの効果をもたらす。

また、燃料電池２の内部の水素濃度不足（水素欠）を検出したい場合には、水素をあまり消費したくない。実施の形態１によれば、燃料電池２の出力電流を小さくすることにより、水素濃度の推定精度向上とともに、水素消費抑制も実現できる。また、発電中の電流密度が小さければフラッディングが起き難く、フラッディングがインピーダンス円弧に与える影響（ノイズ）も小さい。

以上のように、実施の形態１にかかるバイアス条件によれば、燃料電池特有の有益な効果も合わせて得ることができる。

なお、上述した内容から、|ΔＶ|／|ΔＩ|を取得する際にも可能な限りＯＣＶに近い電圧値（言い換えれば可能な限り低い電流値）が好ましいことが導かれる。よって、本実施例では、制御装置５が、|ΔＶ|／|ΔＩ|を取得するための測定値として、ＯＣＶ付近の測定値を使用する。その結果、高推定精度と、上述した各種の燃料電池特有の効果（劣化抑制、水素消費抑制、フラッディング抑制）とが達成される。

（４）水分量の影響
図７は、インピーダンス円弧に対する燃料電池の水分量の影響を説明するための模式図である。燃料電池内部の水分が乏しいつまりドライである場合には、図７に示すように、インピーダンス円弧は、サイズが大きくなりかつＺ´軸上をシフトする。よって、燃料電池内部の湿潤状態に応じて、制御装置５の判定値や水素濃度特性マップの内容を補正することが好ましい。

そこで、制御装置５が、燃料電池湿潤状態と、インピーダンス円弧のサイズやＺ´軸上の位置との間の相関マップを記憶してもよい。制御装置５が、このような相関マップに基づいて水素濃度推定結果、水素濃度推定値を補正してもよい。なお、燃料電池の含水量（換言すれば、水分量、湿潤状態）を検知、推定するための技術は既に多くの技術が公知であるため、詳細な説明は行わない。

＜実施の形態１の実施例１にかかる具体的処理＞
以下、本実施例にかかる燃料電池システムにおいて、制御装置５が実行する具体的処理を説明する。ここでは、上記“（i）インピーダンスの実部Ｚ´に基づく水素濃度推定”の具体的処理と、上記“（iii）Ｉ−Ｖ接線抵抗値に基づく水素濃度推定”の具体的処理とを、それぞれ説明する。

（１）Ｚ´に基づく推定処理
図８は、実施の形態１の実施例１において制御装置５が実行するルーチンのフローチャートである。本実施例では、図８のルーチンが燃料電池の発電中に実行されるものとする。

図８のルーチンでは、先ず、カソードへ空気が供給される（ステップＳ１００）。このとき、カソードに対して潤沢に空気が供給されることが好ましい。その後、燃料電池２のバイアス電圧Vbiasが０．９Ｖに調節される（ステップＳ１０２）。その後、制御装置５が、周波数０．１Ｈｚかつ所定振幅で、交流インピーダンス法に従って、インピーダンス測定装置３を介したインピーダンス測定を行う（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４での周波数は、１ｋＨｚ〜０．１Ｈｚの周波数範囲から予め定めておく。

その後、ステップＳ１０４により得られたインピーダンスに基づいて、水素濃度推定が行われる（ステップＳ１０６）。本実施例では、制御装置５が、ステップＳ１０４の後、最終的にインピーダンスの実部Ｚ´の値を取得し、実部Ｚ´が所定判定値に比して大きいか否かを判定する判定処理を実行する。以上の処理が、水素濃度推定を実現する。

尚、図８のルーチンでは、インピーダンス測定装置３が、前記第１〜６の発明における「測定手段」に相当する。制御装置５が図８のルーチンのステップＳ１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明および前記第２の発明における「推定手段」が実現されている。また、制御装置５がインピーダンスの実部Ｚ´の値を算出する処理を実行することにより、前記第２の発明における「インピーダンスの実部の値を取得する手段」が実現されている。

また、制御装置５が図８のルーチンのステップＳ１０２の処理を実行することにより、前記第７の発明における「所定バイアス供給手段」が実現されている。

なお、Ｚ´に代えて、Ｚ´´、ρ、ｋ、θ、|Ｚ|、Ｌのいずれかに基づく水素濃度推定を行うように、ステップＳ１０６の演算処理内容を変更してもよい。この場合には、制御装置５が、予め、Ｚ´´、ρ、ｋ、θ、|Ｚ|またはＬを計算するための演算処理と、Ｚ´´、ρ、ｋ、θ、|Ｚ|またはＬに応じて定めた所定判定値と、を記憶してもよい。符号がマイナスであるＺ´´については、絶対値|Ｚ´´|を、正の所定値と比較すればよい。なお、上記のルーチンにおけるステップＳ１０４において、０．９Ｖより高い或いは低いバイアス電圧としてもよい。また、予め定めた低いバイアス電流でもよい。
なお、ステップＳ１０２の処理を、前述した“（ii）バイアス補正”の記載内容に従ったバイアス電圧補正処理に置き換えても良い。

（２）|ΔＶ|／|ΔＩ|に基づく推定処理
図９は、実施の形態１の実施例１において制御装置５が実行するルーチンのフローチャートの他の例である。

図９のルーチンでは、ステップＳ１００のカソード空気供給制御の後、燃料電池２のＩ−Ｖ特性上の２つの点が取得される（ステップＳ１５２）。次いで、これら２点から|ΔＶ|／|ΔＩ|が算出される（ステップＳ１５４）。続いて、|ΔＶ|／|ΔＩ|の値に基づいて、水素濃度推定（判定値との比較、あるいはマップに基づく推定値算出）が行われる（ステップＳ１５６）。制御装置５が以上の処理を実行することにより、先に説明した（iii）Ｉ−Ｖ接線抵抗値を用いた水素濃度推定が実現される。

図９に示した変形例では、ステップＳ１５２およびＳ１５４の処理が実行されることにより、前記第５の発明における「測定手段」が実現されている。

（３）他の変形例
なお、他の変形例として、制御装置５の記憶装置が、水素濃度と、Ｚ´、|Ｚ´´|、ρ、ｋ、θ、|Ｚ|、Ｌのいずれかとの間の関係を、水素濃度特性マップとして、記憶してもよい。制御装置５が、この水素濃度特性マップに基づく水素濃度推定値の算出処理を、上記のステップＳ１０６の処理に代えて行ってもよい。この変形例の場合には、制御装置５が内蔵する記憶装置が、前記第６の発明における「記憶手段」に相当する。そして、制御装置５が水素濃度特性マップに従って水素濃度推定値を算出することにより、前記第６の発明における「推定値算出手段」が実現されている。

［実施の形態１の実施例２］
＜実施の形態１の実施例２のシステム構成＞
以下、図１０（ａ）（ｂ）を参照して、実施の形態１の実施例２にかかる燃料電池システムを説明する。本実施例にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。図１０（ａ）は、実施の形態１の実施例２にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。この実施例２は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）を対象に、前述した水素濃度推定を行う。

燃料電池スタック１０は、複数の単位セル２０を備えている。燃料電池スタック１０は、管路１２、１４、１６、１８と接続する。空気が管路１２を通って燃料電池スタック１０内部のカソードマニホールド（不図示）に流入し、水素が管路１４を通って燃料電池スタック１０内部のアノードマニホールド（不図示）に流入する。アノードオフガス、カソードオフガスが、管路１６、１８にそれぞれ流出する。アノードオフガスが流れるほうの管路は、更に下流で、パージ弁５６と接続する。

ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０が、電流計５２および電圧計５４と接続する。電流計５２と電圧計５４により、燃料電池スタック１０の電流や電圧を計測することができる。ＥＣＵ５０は、前述した実施例１の制御装置５と同様に、交流インピーダンス法に従ったインピーダンス測定を行うための処理を記憶している。ＥＣＵ５０は、電流計５２および電圧計５４の示す値に基づいてインピーダンス測定を行うことができる。燃料電池のインピーダンス測定技術は既に公知技術であるため、これ以上の説明は行わない。

図示しないが、管路１２はエアコンプレッサ等の空気系機器と接続し、管路１２の末端は大気に開放される。図示しないが、管路１６は、レギュレータやシャット弁等の水素系機器を介して、高圧の水素が貯留された水素タンクに接続する。ＥＣＵ５０は、これらの空気系機器や水素系機器を制御する。ＥＣＵ５０は、パージ弁５６の開閉も制御する。

図１０（ｂ）は、単位セル２０の構成を示す平面図である。単位セル２０は、その内部に、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）２２を備えている。ＭＥＡ２２は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に、電極触媒層が設けられた構成を有する。この電極触媒層は、触媒（例えば白金）が担持された担体（例えばカーボン微粒子）を含有する層である。電極触媒層上には、カーボンシート等からなるガス拡散層、セパレータが積層する。図１０（ｂ）には、単位セル２０内部の水素の流れが矢印で示されている。破線四角領域は、単位セル２０内における水素の流れの下流部分２４である。下流部分２４は、単位セル２０内で水素濃度が最も低くなりやすい。

燃料電池スタック１０では、図１０（ａ）の紙面上で最も右上に位置する単位セル２０が、スタック内の水素流れの最下流に位置する。本実施例では、この単位セル２０が、下流部分２４に対し部分的に電気計測を行うための構成を備えている。具体的構造は図示しないが、当該単位セル２０のセパレータに部分的絶縁を施すことにより、下流部分２４の部分電流を測定することができる。このような、燃料電池の部分的電気計測技術は、既に公知である。よって、これ以上の説明は行わない。

一般に、単位セル内部（ＭＥＡ面内）には水素濃度の分布が存在する。また、燃料電池スタック内でも、マニホールド上流側に接続する単位セルよりも、マニホールド下流側に接続する単位セルのほうが水素濃度が低くなり易い。このため、燃料電池スタック１０内部の水素濃度の平均的な値を把握するのではなく、燃料電池スタック１０の必要な部分の水素濃度を正確に把握することが好ましい。

実施の形態１の水素濃度推定を燃料電池の特定部分のインピーダンスに基づいて行った場合、その特定部分の水素濃度を局所的に推定することができる。本実施例によれば、下流部分２４のインピーダンスに基づいて、単位セル２０内部の下流部分２４の水素濃度を推定により取得することができる。すなわち、本実施例によれば、水素流れ最下流の単位セル２０における下流部分２４の水素濃度を、推定することができる。これにより、水素濃度推定を、燃料電池スタック１０内部で最も水素濃度が低い部分を対象に行うことができる。

なお、従来、水素濃度の部分的検知の要望を満たすべく、燃料電池の内部に水素濃度センサを搭載する試案もなされている。しかしながら、現実には、燃料電池内部への水素濃度センサ搭載は、未だ実用化には遠い。一方、燃料電池の特定部分に対する電気測定は、水素濃度センサに比べて構造上の現実性がある。本実施例の燃料電池システムは、水素濃度センサを必要とせず、単位セル面内の部分的な水素濃度検知の要望を実現することができる。

＜実施の形態１の実施例２にかかる具体的処理＞
図１１は、実施の形態１の実施例２においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図１１のルーチンは、システム起動時に実行される。このルーチンは、システム起動時における、燃料電池スタック１０の水素パージ必要性判断を実現することができる。なお、ここでは、水素濃度推定に使用する値としてＺ´を用いる。

図１１のルーチンでは、先ず、図８のルーチンと同様にステップＳ１００、Ｓ１０２、Ｓ１０４がＥＣＵ５０上で実行される。

その後、第１判断指標がＯＫか否かが判定される（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７では、今回得られたＺ´が、燃料電池スタック１０の発電開始をしても良い許容水素濃度値Ｚ´_０以下か否かが判定される。つまり、Ｚ´≦Ｚ´_０が成立しているか否かが判定される。例えば許容水素濃度が５０％である場合には、水素濃度が５０％のときのＺ´の数値が、Ｚ´_０として設定される。Ｚ´≦Ｚ´_０である場合には、燃料電池スタック１０の水素濃度が許容水素濃度以上だと判断できる。よって、Ｚ´≦Ｚ´_０である場合には、パージ不要判定が下され（Ｓ１１０）、その後今回のルーチンが終了する。

ステップＳ１０７の条件が成立しなかった場合、つまりＺ´＞Ｚ´_０の場合には、パージが実行される（ステップＳ１０８）。この場合にはパージ弁５６が制御されるとともに、水素でパージが行われる。

次いで、第２判断指標がＯＫか否かが判定される（ステップＳ１１２）。このステップでは、先ず、ＥＣＵ５０が、Ｓ１０４の時と同じ周波数で、言い換えれば周波数条件をＳ１０４時の条件に固定したままで、再度インピーダンス測定用処理を実行する。ＥＣＵ５０は、その後、測定により得られたＺ´が、Ｚ´_０以上か否かの判定処理を行う。ステップＳ１０８以降はパージ実行中なので、水素濃度はやがて許容水素濃度まで上昇する。その過程でＺ´は増大し、Ｚ´_０に達する。

ステップＳ１１２においてＺ´≦Ｚ´_０が成立した場合には、パージが終了される（Ｓ１１４）。その後、燃料電池スタック１０の発電開始へとシステムの制御が進む。一方、Ｚ´≦Ｚ´_０が成立するまでは、処理はＳ１０８に戻りパージが継続される。

以上の処理によれば、燃料電池スタック１０の水素パージを、燃料電池スタック１０の内部の水素濃度に応じて、過不足無く正確に行うことができる。

なお、上述した実施の形態１の実施例２では、燃料電池１０が、前記第２３の発明における「燃料電池」に、パージ弁５６が、前記第２３の発明における「パージ機構」に、それぞれ相当している。また、実施の形態１の実施例２では、ＥＣＵ５０が図１１のルーチンのステップＳ１０７を実行することにより、前記第２３の発明における「パージ制御手段」が実現されている。また、実施の形態１の実施例２では、ＥＣＵ５０が図１１のルーチンのステップＳ１１２を実行することにより、前記第２４の発明における「パージ制御手段」が実現されている。

なお、燃料電池システムには、発電中に燃料電池のアノードで水素を循環させる循環タイプのシステムと、そのような循環を行わない非循環タイプ（循環レス）のシステムとがある。非循環システムには、更に、発電中に燃料電池のアノード系を閉じるシステム（いわゆるデッドエンド型システム）と、発電中にアノード下流に微小量のガスを排出するシステムと、がある。上述した実施の形態１にかかる水素濃度推定技術は、これらのいずれのタイプの燃料電池システムにも適用可能である。

なお、アドミタンスＹは、インピーダンスＺの逆数である。従って、実施の形態１にかかる判定値比較による水素濃度推定や水素濃度推定値計算と実質的に同じ推定手法を、アドミタンスの値を利用して実施することができる。この実施形態は、形式上アドミタンスの値を判定や計算に使用していたとしても、インピーダンスとアドミタンスが逆数の関係にあるため、「燃料電池のインピーダンス」に基づいて水素濃度推定を行うという点で実施の形態１と実質的に同じである。従って、アドミタンスの値を用いて判定や計算を行うことにより実施の形態１〜９と実質的に同じ構成、動作を実施する水素濃度推定装置や燃料電池システムも、本発明における水素濃度推定装置や燃料電池システムに含まれる。なお、インピーダンスとアドミタンスは、一般にイミタンスと総称される。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムを説明する。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態１で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。

燃料電池スタック内の水素濃度は均一ではなく、ある程度の分布がある。例えば、スタック内において、アノードマニホールド下流の単位セルは、アノードマニホールド上流の単位セルよりも水素濃度が低い。水素が不十分な状態（水素欠）で燃料電池が発電すると、種々の問題を招くことが知られている。

実施の形態２によれば、燃料電池スタック内の低水素濃度部位の水素濃度を精度良く推定することができる燃料電池システムが提供される。実施の形態２の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック内の最低水素濃度に合わせて、水素欠を避けるための正確かつ安全なシステム制御を行うことができる。

なお、実施の形態２の燃料電池システムは、燃料電池の発電中にアノードの水素循環を行わないタイプ（いわゆる循環レスタイプ）のシステムである。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。

［実施の形態２の実施例１］
実施の形態２の実施例１では、燃料電池スタックに不純物ガス（「発電非関与ガス」とも称す）が滞留しやすい単位セルが設けられる。この単位セルに対して水素濃度推定が行われる。

＜実施の形態２の実施例１の構成＞
図１２は、実施の形態２の実施例１にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例にかかる燃料電池システムは、燃料電池スタック２００を備えている。燃料電池スタック２００は、多数重ねられた単位セル２０２を備える。単位セル２０２の構成は、実施の形態１において図１０に関して述べた構成と同様であるものとする。

燃料電池スタック２００は、水素流れの上流側の端に、高圧損単位セル２０４を備える。高圧損単位セル２０４のアノードガス流路は、単位セル２０２のアノードガス流路よりも、圧力損失が高くされている。アノードガス流路の具体的構成は述べないが、流路断面積（具体的には、流路の幅、高さ、流路長、多孔質体流路であれば細孔径や開口率等）を、圧力損失を相違させるように適宜に相違させればよい。

燃料電池スタック２００は、マニホールド２１０、２１２を備えている。マニホールド２１０、２１２は、単位セル２０２および高圧損単位セル２０４の積層方向に延びている。マニホールド２１０は、燃料電池スタック２００の一方の面（紙面左側面）から、スタック外部に開口している（図中のＨ_２の矢印位置）。マニホールド２１０は、図示しない高圧水素タンクにレギュレータ、シャット弁等を介して接続する。マニホールド２１２も、燃料電池スタック２００の紙面左側の面からスタック外部に開口し、排気弁２１６を介して図示しない排気系と接続する。

ＥＣＵ２２０は、インピーダンス測定装置２２２と排気弁２１６とに接続する。インピーダンス測定装置２２２は、高圧損単位セル２０４の１つと接続している。ＥＣＵ２２０は、インピーダンス測定装置２２２を介して、高圧損単位セル２０４のインピーダンスを測定することができる。ＥＣＵ２２０は、実施の形態１のＥＣＵ５０と同様に、インピーダンス測定装置２２２を介して得たインピーダンス値に基づいて、水素濃度推定を行うことができる。ＥＣＵ２２０は、排気弁２１６を、燃料電池スタック２００の通常発電中には閉じる。そして、所定のパージ条件が成立した場合には、ＥＣＵ２２０は排気弁２１６を開く。なお、燃料電池スタック２００の通常発電中に、排気弁２１６を完全に閉じずに微小量排気を行う燃料電池システムでもよい。

マニホールド２１０は、単位セル２０２および高圧損単位セル２０４のそれぞれのガス流路の入口に接続する。マニホールド２１２は、単位セル２０２および高圧損単位セル２０４のそれぞれのガス流路の出口に接続する。

マニホールド２１２の内部には、高圧損単位セル２０４の出口部分に、詰物２１４が設けられている。詰物２１４は、高圧損単位セル２０４の出口部分において、マニホールド２１２の流路断面積を部分的に小さくする。なお、図１３は、実施の形態２の実施例１にかかる変形例を示す図であり、詰物２１４以外を用いる変形例を示す図である。図１３のように、単位セル２０２のマニホールド穴（マニホールド２１２用の貫通穴）よりも小さく、高圧損単位セル２０４のマニホールド穴２１８を形成することもできる。これにより詰物２１４と同様の効果が得られる。

上述した図１２の構成において、マニホールド２１０の一端から流入した水素ガスが、図中の矢印の如く各単位セル内部（アノードのガス流路内）を通って流れる。その結果、マニホールド２１２にはアノードオフガスが流れ込む。

燃料電池スタック２００内部では、水素と酸素の電気化学的反応により発電が行われる。一方、燃料電池スタック２００内部には、発電時間の経過と共に、窒素（Ｎ_２）などの発電非関与ガスが蓄積していく。これに応じて水素濃度が低下する。Ｎ_２の蓄積は、水素タンク内の水素ガスの不純物や、カソードとアノード間でのＭＥＡを介した透過ガスに起因する。なお、以下、便宜上、Ｎ_２ガスを発電非関与ガスの代表として説明するが、Ｎ_２以外の発電非関与ガスを本発明から除外するものではない。

本実施例によれば、排気弁２１６が閉じている状態あるいは排気弁２１６開度が微小である状態で燃料電池スタック２００が発電している間、高圧損単位セル２０４のアノード流路の水素濃度が単位セル２０２に比して低くなる。ＥＣＵ２２０が水素濃度推定を行うことにより、高圧損単位セル２０４つまり燃料電池スタック２００の最低水素濃度部分を対象に、水素濃度推定を行うことができる。これにより、燃料電池スタック２００内の最低水素濃度に応じて、水素欠を避けるための正確かつ安全なシステム制御を行うことができる。

また、本実施例によれば、高圧損単位セル２０４の出口部分は、詰物２１４によってマニホールド２１２の流路断面積が部分的に小さくなっている。このため、排気弁２１６が開きマニホールド２１２内のアノードオフガスが排出される際、高圧損単位セル２０４の出口部分におけるガス流速を高めることができる。ガス流速が高いため、高圧損単位セル２０４の出口部分が負圧となる。その結果、排気弁２１６が開かれたときに、高圧損単位セル２０４内部からガスを抜き出すことができる。このように、本実施例の構成によれば、発電非関与ガスが多い高圧損単位セル２０４を、十分にパージすることができる。

なお、本実施例の構成には、下記の他の実施例とは異なり、マニホールド２１０の開口とマニホールド２１２の開口とが燃料電池スタック２００の片方の面に集約しているという特徴もある。

＜実施の形態２の実施例１の動作および具体的処理＞
以下、本実施例の燃料電池システムの動作を、本実施例にかかる具体的処理の内容とともに説明する。本実施例の燃料電池システムは、高圧損単位セル２０４の水素濃度推定を行うことにより、燃料電池スタック２００内部の水素濃度を監視する。監視中に、水素濃度が所定値より低い場合には、排気弁２１６を制御して排気量を多めに調節する。

図１４は、実施の形態２の実施例１において、ＥＣＵ２２０が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、燃料電池スタック２００の発電中に実行される。

図５のルーチンでは、先ず、インピーダンス測定が行われる（ステップＳ２３０）。このステップでは、実施の形態１において図８で行われたステップＳ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１０６と同様の処理が実行される。

次いで、Ｈ_２濃度がＯＫか否かが判定される（ステップＳ２３２）。このステップでは、図１１のルーチンのステップＳ１０７と同様に、所定判定値との比較に基づいて、Ｈ_２濃度がＯＫか否かの判定が行われる。なお判定値は、判定したい水素濃度に応じて、適宜に定めておけばよい。

ステップＳ２３２でＨ_２濃度がＯＫである場合には、システム制御は現状維持となる（ステップＳ２３６）。ステップＳ２３２でＨ_２濃度がＯＫではない場合（つまりＮＧである場合）には、所定時間（一例としては数秒間程度）、排気弁２１６の開度増大による排気量増加が行われる（ステップＳ２３４）。その後、処理がステップＳ２３０に戻る。

以上の処理により、燃料電池スタック２００内部の水素濃度が所定値より低い場合には、排気量を多めに調節することができる。

なお、実施の形態２の実施例１では、単位セル２０２が、前記第１５の発明における「第１単位セル」に、高圧損単位セル２０４が、前記第１５の発明における「第２単位セル」に、それぞれ相当している。

［実施の形態２の実施例２］
実施の形態２の実施例２では、燃料電池スタック内の水素流れの最下流に位置する単位セルを対象に、インピーダンスに基づく水素濃度推定が行われる。これにより、燃料電池スタック内の最低水素濃度を精度良く推定することができる。

＜実施の形態２の実施例２の構成＞
図１５は、実施の形態２の実施例２にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。図１５（ａ）に示すように、本実施例の燃料電池システムは、燃料電池スタック２４０と、排気弁２５８を備えている。本実施例の燃料電池システムは、上述した図１２のシステムと同様、ＥＣＵ２２０およびインピーダンス測定装置２２２を備えている。燃料電池スタック２４０は、複数の単位セル２０２と複数の単位セル２４４とが積層することにより構成されている。本実施例では、インピーダンス測定装置２２２が単位セル２４４と接続される。

図１５（ａ）に示す本実施例では、マニホールド２１０の端に仕切２５５が、マニホールド２１２の一端に蓋２５３が、それぞれ設けられている。仕切２５５の紙面右側には、マニホールド２５４が存在している。

図１５（ｂ）は、図１５（ａ）における単位セル２０２と単位セル２４４の隣接部分を拡大した図である。単位セル２０２、２４４の内部には、それぞれ、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２７０が設けられている。ＭＥＧＡ２７０は、ＭＥＡの両面にガス拡散層が一体化されたものである。単位セル２０２、２４４は、ともに、ＭＥＧＡ２７０を挟んで位置するカソードガス流路２７２およびアノードガス流路２７４とを備えている。符号２８０は、樹脂製のガスケットである。

燃料電池スタック２４０内では、カソード側セパレータ２７５と、アノード側セパレータ２７６とが、各単位セルを仕切っている。本実施例では、燃料電池スタック２４０内に、図１５（ｂ）に示すように、マニホールド穴が打ち抜かれていないカソード側セパレータ２７７が配置されている。このカソード側セパレータ２７７の一部（マニホールド穴が打ち抜かれていない部分）が、仕切２５５の役割を担っている。

上記の構成により、燃料電池スタック２４０では、水素ガスが、マニホールド２１０→個々の単位セル２０２のアノード→マニホールド２１２→個々の単位セル２４４のアノード→マニホールド２５４という経路を辿って流れる。この構成によれば、単位セル２４４は、燃料電池スタック２４０内の水素流れの最下流に位置する。単位セル２４４には、発電非関与ガスの濃度が高い（例えばＮ_２濃度が約５〜１０％）ガスが流入する。単位セル２４４のインピーダンスに基づく水素濃度推定により、燃料電池スタック２４０内の最低水素濃度を精度良く推定することができる。

なお、マニホールド２５４の下流には排気弁２５８が位置する。排気弁２５８を開くことにより、アノードをパージできる。或いは、排気弁２５８の開度調節により、アノードオフガスを少しずつ排気しながら燃料電池スタック２４０の発電を継続できる。

＜実施の形態２の実施例２の具体的処理＞
図１６は、実施の形態２の実施例２において、ＥＣＵ２２０が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、燃料電池スタック２４０の発電中に実行される。図１６のルーチンでは、先ず、図１４のルーチンと同様に、既述したステップＳ２３０にかかるインピーダンス測定が行われる。

その後、ステップＳ２３０で推定された水素濃度値に応じて、排気弁２５８の開度が制御される（ステップＳ２６２）。具体的には、ＥＣＵ２２０が、単位セル２４４の水素濃度が所定範囲内（本実施例では水素濃度３０％〜８０％）に収まるように、水素濃度推定値を排気弁２５８の開度にフィードバックする。ステップＳ２６２においては、ＥＣＵ２２０が、水素濃度推定値が８０％以上の場合には排気弁２５８が閉じ気味になるように、排気弁２５８を制御する。水素濃度推定値が３０〜８０％の場合には、排気弁２５８の現在の開度が維持される。水素濃度推定値が３０％以下の場合には、排気弁２５８の開度が増大される。

なお、実施の形態２の実施例２では、単位セル２０２が、前記第１７の発明における「第１群の単位セル」に、単位セル２４４が、前記第１７の発明における「第２群の単位セル」に、マニホールド２１０が、前記第１７の発明における「第１マニホールド」に、マニホールド２５４が、前記第１７の発明における「第２マニホールド」に、マニホールド２１２が、前記第１７の発明における「第３マニホールド」に、それぞれ相当している。

［実施の形態２の実施例３］
＜実施の形態２の実施例３の構成＞
図１７は、実施の形態２の実施例３にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例の燃料電池システムは、図示しないが、上述した図１５のシステムと同様、ＥＣＵ２２０およびインピーダンス測定装置２２２を備えている。本実施例でも、インピーダンス測定装置２２２が、単位セル２４４と接続される。本実施例では、単位セル２０２と単位セル２４４において、カソードガス流路２７２内の空気の流れは同じであるものとする。

本実施例の燃料電池スタック２６４は、マニホールド２１２に仕切２５７が存在する。仕切２５５と仕切２５７により、ダミー流路２９０が備えられる。その結果、燃料電池スタック２６４では、水素が、マニホールド２１０→単位セル２０２のアノード→マニホールド２１２→ダミー流路２９０→単位セル２４４のアノード→マニホールド２５６という経路を辿って流れる。よって、単位セル２４４には水素濃度の低いガス（窒素濃縮ガス）が流れ込む。単位セル２４４のインピーダンスに基づく水素濃度推定を行うことにより、燃料電池スタック２６４内の最低水素濃度を精度良く推定することができる。

図１８は、図１７における単位セル２０２、２４４の隣接部分を拡大した図である。燃料電池スタック２６４は、図１８に示すアノード側セパレータ２９２およびカソード側セパレータ２９４を備える。これらのセパレータの間には、図１８に示すようにガスケットが介在することにより、隙間が生じている。アノード側セパレータ２９２の一部（マニホールド穴が打ち抜かれていない部分）が、仕切２５５の役割を担っている。カソード側セパレータ２９４の一部（マニホールド穴が打ち抜かれていない部分）が、仕切２５７の役割を担っている。その結果、これらのセパレータの間にダミー流路２９０が形成されている。

燃料電池スタック２６４によれば、水素が単位セル２０２内をマニホールド２１０側からマニホールド２１２側に向かって流れ、且つ、水素が単位セル２４４内をマニホールド２５４側からマニホールド２５６側に向かって流れる。よって、水素が、単位セル２０２、２４４のアノードガス流路２７４内を、同じ向きに流れる。つまり、本実施例によれば、単位セル２０２と単位セル２４４とで、アノードのガスの入口と出口の並びをそろえることができる。

既述したように、本実施例では、単位セル２０２と単位セル２４４において、カソードガス流路２７２内の空気の流れが同じ向きである。その結果、本実施例によれば、単位セル２０２と単位セル２４４において、水素と空気の両方の流れ方向を統一することができる。

なお、実施の形態２の実施例３では、単位セル２０２が、前記第１８の発明における「第１群の単位セル」に、単位セル２４４が、前記第１８の発明における「第２群の単位セル」に、マニホールド２１０が、前記第１８の発明における「第１マニホールド」に、マニホールド２５６が、前記第１８の発明における「第２マニホールド」に、ダミー流路２９０を介して接続するマニホールド２１２とマニホールド２５４が、前記第１８の発明における「第３マニホールド」に、それぞれ相当している。そして、実施の形態２の実施例３では、マニホールド２１２が、前記第１８の発明における「第１の部分」に、マニホールド２５４が、前記第１８の発明における「第２の部分」に、ダミー流路２９０が、前記第１８の発明における「ダミー流路」に、それぞれ相当している。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３にかかる燃料電池システムを説明する。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態１で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。

［実施の形態３の構成］
図１９は、本発明の実施の形態３にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。燃料電池スタック３００は、複数の単位セルが、エンドプレート３０６、３０８により挟み込まれた構成を有する。燃料電池スタック３００は、マイナス電位側のエンドプレート３０６に接する単位セル３０４を備えている。単位セル３０４のプラス電位側には、さらに複数の単位セル３０２が積層されている。単位セル３０２と単位セル３０４は、同じ内部構造を有している。

単位セル３０４には、インピーダンス測定装置３２２が接続されている。インピーダンス測定装置３２２は、ＥＣＵ３２０に接続している。ＥＣＵ３２０は、実施の形態１、２のＥＣＵと同様に、インピーダンスに基づく水素濃度推定処理を実行することができる。ＥＣＵ３２０は、インピーダンス測定装置３２２を介して単位セル３０４のインピーダンスの測定値を取得し、かつ、その測定値に基づいて単位セル３０４の水素濃度を推定することができる。燃料電池スタック３００には、水素タンク（図示せず）、パージ弁３１２、エアポンプ３１４が接続されている。

［実施の形態３の動作］
単位セル３０４は、次の理由により、アノードに液体水が溜まり易い。先ず、単位セル３０４は、アノードが、エンドプレート３０６に面している。エンドプレート３０６を介した放熱により、単位セル３０４は冷え易い。また、単位セル３０４内の水バランスがあるため、カソード生成水はアノードに移動する。また、カソードとアノードでガス流量を比較するとアノード内のガス流量は少なく、アノード内でガスが水を吹き飛ばす効果は低い。これらの理由があるため、マイナス電位側の端に位置する単位セルである単位セル３０４は、アノードに液体水が溜まり易い。

一般に、燃料電池スタック内に多量の残留水があると、種々の弊害を引き起こす。具体的には、例えば、燃料電池システムの氷点下起動時に、個々の単位セル内の水が凍結してしまうおそれがある。こういった問題を解消する手法として、燃料電池スタック内のアノードをパージする手法がある。

しかしながら、アノードのパージは、水素の排出を招いてしまう。パージを行えば、その分だけ、発電に使用されない水素の量が多くなり燃費が悪化してしまう。

そこで、実施の形態３では、単位セル３０４に対して実施の形態１にかかる水素濃度推定が行われる。単位セル３０４内の水素濃度を推定することにより、単位セル３０４のアノードのパージが必要か否かを判断できる。実施の形態３では、単位セル３０４のパージが必要と判断された場合に、燃料電池スタック３００のパージも必要と判断される。つまり、単位セル３０４が、スタック全体のパージ必要性有無の判断指標となる。

既述したように、単位セル３０４は、他の単位セルに比してアノードに液体水が溜まり易い。単位セル３０４をパージ必要性有無の判断指標とすることにより、燃料電池スタック３００の残留水対策を確実に行うことができる。また、単位セル３０４のパージが必要ないと判断できるならば、他の単位セルにおいてもパージを行わなくともよいと考えることができる。従って、単位セル３０４をパージ必要性有無の判断指標とすることにより、不必要なパージを避けることができる。

以上説明したように、実施の形態３によれば、燃料電池スタック３００内の残留水対策と、水素の無駄な排出の抑制とを両立することができる。

［実施の形態３の具体的処理］
図２０は、実施の形態３においてＥＣＵ３２０が実行するルーチンのフローチャートである。ここでは、実施の形態３の燃料電池システムが、車両に搭載されているものとする。これにより、燃料電池自動車の有効な寒冷地対策が実現される。なお、図２０は、実施の形態１の実施例２にかかる図１１のルーチンと同様の処理を含んでいる。このため、適宜に説明を簡略化あるいは省略する。

図２０のルーチンでは、先ず、イグニッションＯＦＦか否かが判定される（ステップＳ３２０）。イグニッションがＯＦＦの場合には、図１１のルーチンのステップＳ１０２、Ｓ１０４が実行される。

次いで、第１判断指標がＯＫか否かが判定される（ステップＳ３３６）。このステップでは、図１１のルーチンのステップＳ１０７と基本的に同じ処理が実行され、インピーダンスの実部の値Ｚ´が取得される。但し、ステップＳ３３６では、Ｚ´が、予め定められたパージ基準濃度値Ｚ´_Ｐと比較される。Ｚ´とＺ´_Ｐとの比較の結果、推定水素濃度がパージ基準濃度を上回っていれば、パージ不要と判断されて処理はステップＳ１１０に進む。逆に、推定水素濃度がパージ基準濃度よりも小さければ、パージ必要と判断されて処理はステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８のパージ開始後、次いで、第２判断指標がＯＫか否かが判定される（ステップＳ３４２）。このステップでは、ＥＣＵ３２０が、図１１のルーチンのステップＳ１１２の処理を、Ｚ´_０に代えてＺ´_Ｐを用いて実行する。その後は図１１のルーチンと同じく、ステップＳ１１４を経て今回のルーチンが終了する。

以上の処理によれば、燃料電池スタック３００内の残留水対策と、水素の無駄な排出の抑制とを両立することができる。

なお、上述した実施の形態３では、エンドプレート３０６が、前記第１９の発明における「マイナス側エンドプレート」に、エンドプレート３０８が、前記第１９の発明における「プラス側エンドプレート」に、単位セル３０４が、前記１９の発明における「端側単位セル」に、それぞれ相当している。

［実施の形態３の変形例］
図２１は、実施の形態３の変形例の燃料電池システムの構成を示す図である。本変形例では、エンドプレート３０６と単位セル３０４の間に、対策セル３６２が設けられている。残留水対策用に、非発電用のセルを燃料電池スタック内に設ける技術が知られている。対策セル３６２は、この観点から残留水対策用に設けられた部品であり、その内部に発電用の構成に代えてヒータを備えている。こういった他の部品がある場合にも、図２１に示すようにエンドプレート３０６に最も近い単位セル３０４の水素濃度推定を行えばよい。なお、対策セル３６２に代えて断熱材が配置される場合も同様である。

実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４にかかる燃料電池システムを説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態１で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。

図２２は、実施の形態４にかかる単位セル４００の構成を示す平面図である。単位セル４００は、アノードのガス入口４０４と、アノードのガス出口４０６を備えている。図中の矢印は、単位セル４００面内の水素の流れを模式的に表している。単位セル４００は、インピーダンス測定用の端子４２０を備えている。端子４２０は、単位セル４００のガス出口４０６近傍のインピーダンスを測定するための端子である。端子４２０は、コード４２２を介して、インピーダンス測定装置４３０に接続している。

図２３（ａ）は、図２２のＡ−Ａに沿って単位セル４００を切断した断面図である。絶縁シール４２６が、電極４２４とセパレータとの間の絶縁を確保している。図２３（ｂ）は、図２２における端子４２０近傍を拡大した図である。電極４２４の周囲に絶縁シール４２６が設けられている。この構成によれば、簡素かつ安価な構成により、単位セル４００内において水素欠が生じ易いガス出口４０６近傍の、インピーダンスを測定することができる。

図２４は、実施の形態４の燃料電池システムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。図２４のルーチンにより、燃料電池の水素欠監視を実現することができる。図２４のルーチンでは、先ず、電圧印加およびインピーダンス測定が行われる（ステップＳ４５０）。次いで、水素濃度推定値が算出される（ステップＳ４５２）。ステップＳ４５０は、実施の形態１の図１１のルーチンにおけるステップＳ１０２およびＳ１０４と同様の内容とすればよい。Ｓ４５２の処理内容は、図示しないＥＣＵに、水素濃度特性マップに基づく水素濃度推定値の算出を行わせれば良い。

ステップＳ４５２の次は、設定水素濃度以上か否かの判定処理が行われる（ステップＳ４５４）。ステップＳ４５４では、現在の単位セル４００の水素濃度推定値が、予め設定された基準値以上か否かが判定される。この条件が肯定された場合には、水素欠の問題は発生していないと判断できる。この場合、本ルーチンでは、Ｓ４５０へと処理が戻る。

ステップＳ４５４の条件が否定された場合には、水素欠のおそれがある。本実施形態では、この場合には処理がステップＳ４５６に移り、水素欠対策処理が実行される。なお、本実施形態では、燃料電池の出力制限、水素ストイキ比ＵＰ、排気弁を開く、間欠運転終了を、水素欠対策処理とした。燃料電池の出力制限および水素ストイキ比ＵＰは、例えば、燃料電池自動車において、ＷＯＴ（Wide Open throttle）時など加速時に水素欠対策の必要性が認められた場合に好適である。また、ステップＳ４５４において排気弁を開くことにより、水素循環システムやデッドエンドシステム（水素を循環させずアノード内で水素を止めて発電させるシステム）において、アノードの排気を好適なタイミングで行うことができる。また、ステップＳ４５４を間欠運転終了処理とした場合には、燃料電池システムの間欠運転制御中における間欠運転解除フラグの役割を持たせることができる。

図２５は、実施の形態４の燃料電池システムの他の制御動作を説明するための図である。燃料電池が高電位状態に置かれることは、燃料電池内部の触媒にとっては好ましくない。そこで、実施の形態４では、水素濃度の推定により水素欠監視を行い、バッテリと燃料電池の出力分配を行うこととした。これにより、できるだけ燃料電池を高電位にさらさずに電気掃引を行うこととした。すなわち、実施の形態４の燃料電池システムでは、図２５に示すように、水素欠監視が行われつつ燃料電池から少量の出力が取り出され、かつ、車両要求出力の不足分がバッテリ出力（Ｂａｔ出力）で補われる。これにより、比較例に比べて、燃料電池の電位を低くすることができる。

図２６は、実施の形態４に対する比較例を示す図である。従来は、比較例に示すように、各単位セルのＯＣＶを検知してから燃料電池から出力を取り出していた。この場合、燃料電池が高電位におかれており、触媒にとって好ましくない。この点、図２５に示した実施の形態４の制御によれば、燃料電池が高電位にさらされる頻度を減らし、燃料電池の触媒への悪影響を防ぐことができる。

図２７は、実施の形態４の燃料電池システムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。図２７のルーチンは、燃料電池システムの運転状態が予め定めた特定の運転状態に入った時に実行される。図２７のルーチンにより、燃料電池システムの水素リーク監視およびヘルスモニタリングが実現される。実施の形態４では、水素濃度推定値を用いて、外水素ガスの監視を行う。これにより、圧力降下法に頼らないリークチェックが可能である。

図２７のルーチンでは、図２４のルーチンと同様にステップＳ４５０〜Ｓ４５４が行われる。但し、ステップＳ４５４の基準値は、リークチェック用やヘルスモニタリング用に好適な数値に、適宜に変更されてよい。

ステップＳ４５４における水素濃度推定値と基準値の比較結果に問題がない場合には、履歴データとして今回の水素濃度推定値が記録され、処理がステップＳ４５０に戻る。ステップＳ４５４で問題が認められた場合には、リーク判定、主止弁を閉じる制御、アラーム処理が行われ、終了処理が実行される。その後、本ルーチンは終了する。以上の処理によれば、電解質膜破れなどによるリークの発見、クロスリーク量の経年劣化などのモニタリングを行うことができる。

実施の形態５．
以下、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムを説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池車搭載用システムとして好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態１で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。

燃料電池車の普及を考えた場合、常に高純度の水素ガスが燃料ガスとして供給されるとは限らない。例えば、低水素純度の燃料ガスが供給される場合が想定される。この場合、高水素純度の燃料ガスと同じ運転条件で燃料電池システムを運転すると、燃料電池の水素欠の発生を招くおそれがある。低水素濃度の燃料ガスが供給された場合であっても、水素欠を招かないようにその水素濃度に対応する必要がある。本願発明者は、鋭意研究を行った結果、燃料ガスの水素純度が相違しうる環境下でも、その濃度に対応可能な燃料電池システムを見出した。

図２８は、本発明の実施の形態５にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池５１０のアノードの入口は、管路５１２と連通し、燃料電池５１０のアノードの出口は、管路５１４と連通する。管路５１４は管路５１２と連通して循環管路を形成する。管路５１４には、パージ弁５１８と水素ポンプ５１６も備えられる。燃料電池５１０には、インピーダンス測定装置５２０が接続されている。ＥＣＵ５２２は、インピーダンス測定装置５２０、水素ポンプ５１６、パージ弁５１８と接続する。

ＥＣＵ５２２は、予め、水素ストイキ比マップを記憶している。この水素ストイキ比マップに基づいて、燃料電池５１０への水素供給量が制御される。水素ストイキ比とは、燃料電池の発電量に対して最低限必要な水素量（即ち電気化学的反応に供される水素量）と、燃料電池に実際に供給された水素量と、の比である。本実施形態では、水素ストイキ比マップが、燃費向上のために絞り込んだ設定（具体的には、燃料電池５１０上流での水素ストイキ比をできるだけ低く抑えた設定）になっている。

図２９は、実施の形態５においてＥＣＵ５２２が実行するルーチンのフローチャートである。図２９のルーチンでは、先ず初期起動シーケンスが実行される（ステップＳ５３０）。その後、ＯＣＶか否かが判定される（ステップＳ５３２）。その後、インピーダンス計測へと処理が移る（ステップＳ５３４）。その後、水素濃度推定値が算出される（ステップＳ５３６）。これにより、現在使用されている燃料ガスの水素濃度を、推定により取得することができる。

その後、水素濃度推定値が、適合範囲内であるか否かが判定される（ステップＳ５３８）。適合範囲外であればアラーム処理（ステップＳ５４２）、適合範囲内であれば水素ストイキ比マップのＭａｐ値の補正（更新）が行われる（ステップＳ５４０）。ステップＳ５４０では、ステップＳ５３６で求めた水素濃度を利用して、水素欠を招かない範囲で可能な限り低い水素ストイキ比となるように、水素ストイキ比マップの値が補正される。その後、今回のルーチンが終了する。

以上の処理によれば、水素ストイキ比マップが、現在の使用燃料の水素濃度に応じて更新される。これにより、水素ストイキ比マップに燃料純度バラツキ分の安全率を見込まなくともよい。あるいは、その安全率を小さく抑えることができる。その結果、燃料ガスの水素純度が相違しうる環境下でも、水素欠を回避しながら燃料電池システムを運転することができる。

なお、図３０は、水素濃度センサ５５０を使用して実施の形態５にかかる制御動作を行う場合の燃料電池システムの構成例を示す図である。実施の形態５とは異なりインピーダンスに基づく水素濃度推定を行わない場合には、水素濃度センサ５５０の出力に基づいて水素濃度を検知する例が考えられる。

実施の形態６．
実施の形態６によれば、フラッディングに速やかに対処することができる燃料電池システムが提供される。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態１で説明済みである。よって、以下の説明では水素濃度推定に関する内容は、適宜に説明を省略ないしは簡略化する。

図３１は、本発明の実施の形態６にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。実施の形態６の燃料電池システムは、燃料電池スタック６００と、これに接続された管路６０６、６０８を備えている。燃料電池スタック６００は、複数の単位セル６０２を備えている。図３２は、実施の形態６における単位セル６０２の平面図である。図３２に示すように、単位セル６０２の面内では、水素が紙面左下側に向かって流れる。

複数の単位セル６０２のうちスタック内の水素下流側の端に位置する単位セル６０２には、電流検知板６０４が隣接する。電流検知板６０４は、隣接する単位セル６０２の電流を計測するための部品である。電流検知板６０４は、単位セル６０２の全面に渡る大きさでもよく、また、ガス流れに沿って分割されたものでも良い。電流検知板の構成は、既に公知の各種構成が知られており、新規な事項ではないのでここでは説明を省略する。なお、電流検知板６０４は、燃料電池スタック６００の端に限らず、スタック内の複数個所に配置しても良い。

実施の形態６にかかる燃料電池システムは、ＥＣＵ６２０を備えている。ＥＣＵ６２０は、実施の形態１〜５のそれぞれにかかるＥＣＵと同様に、インピーダンスに基づく水素濃度推定処理を実行することができる。なお、実施の形態６では、電流検知板６０４を用いて取得されたインピーダンスが、水素濃度推定に利用されるものとする。

ＥＣＵ６２０は、燃料電池スタック６００の温度Ｔ、アノードのガス流量Ｑ、発電量Ｐ、負荷の大きさＬが、それぞれ入力される。ＥＣＵ６２０は、温度Ｔ、ガス流量Ｑ、発電量Ｐを履歴データに保存する処理と、履歴データを適宜に参照可能な処理とを備えている。なお、温度Ｔ、ガス流量Ｑ、発電量Ｐ、負荷の大きさＬは、それぞれ、図示しない各種センサを燃料電池スタック６００に取り付けて検知すればよい。

図３３は、本発明の実施の形態６においてＥＣＵ６２０が実行するルーチンのフローチャートである。実施の形態６では、先ず、燃料電池スタック６００の発電履歴から、生成水積算量が計算される（ステップＳ６４０）。次いで、燃料電池スタック６００の温度履歴およびガス流量履歴から、これまでに水蒸気として持ち去られている水の総量が計算される（ステップＳ６４２）。

次に、下記の条件が成立しているか否かが判定される（ステップＳ６４４）。
Ｗ_Ｐ ≦ Ｗ_Ｖ＋Ｗ_Ａ
但し、
Ｗ_Ｐ ＝ ステップＳ６４０で計算された生成水積算量
Ｗ_Ｖ ＝ ステップＳ６４２で計算された水蒸気持ち去り量
Ｗ_Ａ ＝ 所定の許容スタック含水量
である。
許容スタック含水量は、発電に支障がない範囲で燃料電池スタック６００が含有可能な水量である。

ステップＳ６４４の条件が否定された場合、つまりＷ_Ｐ＞（Ｗ_Ｖ＋Ｗ_Ａ）である場合には、スタック内に液体の状態で水が存在していると判断できる。この場合には、本ルーチンでは、処理がスタートに戻る。

ステップＳ６４４の条件が肯定された場合、つまりＷ_Ｐ≦（Ｗ_Ｖ＋Ｗ_Ａ）である場合には、続いて、現在の生成水量が、現在の水蒸気持ち去り量以下であるか否かが判定される（ステップＳ６４６）。この条件が否定された場合には、スタック内に液体の状態で水が存在していると判断できる。この場合には、本ルーチンでは、処理がスタートに戻る。

ステップＳ６４６の両方の条件が肯定された場合、処理はステップＳ６４８以降に移る。ステップＳ６４４とステップＳ６４６の両方の条件が肯定された場合には、燃料電池スタック６００内に液体の水が存在しないと判断することができる。

ステップＳ６４８、Ｓ６５０では、実施の形態１で説明したインピーダンスに基づく水素濃度推定処理が実行され、最終的に水素濃度Ｃ_ｅｓｔが算出される。

次いで、水素供給量が測定されるとともに、発電量から消費水素量が計算される（ステップＳ６５２）。水素供給量は、燃料電池の負荷の大きさに基づいて測定することができる。消費水素量は発電量に比例するため、発電量を計測すれば計算により消費水素量を取得することができる。

次いで、水素濃度Ｃ_ｃａｌｃが算出される（ステップＳ６５４）。水素供給量とは、つまり、スタック内に投入された水素の量である。消費水素量とは、つまり、スタック内で発電によって消費された水素の量である。水素供給量から消費水素量を差し引くことにより、燃料電池スタック６００内に残っているであろう水素量（推定残存水素量）を取得することができる。この推定残存水素量を燃料電池スタック６００内部の水素濃度に換算することにより、Ｃ_ｃａｌｃを取得することができる。

続いて、水素濃度Ｃ_ｅｓｔが、水素濃度Ｃ_ｃａｌｃ以上であるか否かが判定される（ステップＳ６５４）。この条件が成立している場合には、現在の燃料電池スタック６００内の水素濃度は問題ないと判断でき、履歴データに保存されて今回のルーチンが終了する。

一方、ステップＳ６５４において、水素濃度Ｃ_ｅｓｔが水素濃度Ｃ_ｃａｌｃを下回っていると判定された場合には、アノードのフラッディングが発生していると判定されてステップＳ６６０に処理が移る。

既述したように、ステップＳ６４４とステップＳ６４６の両方の条件が肯定された場合は、燃料電池スタック６００内に水が液体状態では存在しないと判断することができる。つまり、このとき、燃料電池スタック６００内には、水素が発電に寄与することを阻害する水が無い。発電阻害水が無いにもかかわらず、燃料電池スタック６００内の水素濃度が低く推定されている。この場合、燃料電池スタック６００全体の水量は少ないものの、電流検知板６０４の隣の単位セル６０２ではアノードのフラッディングが起きていると考えられる。従って、本実施形態のルーチンでは、水素濃度Ｃ_ｅｓｔが水素濃度Ｃ_ｃａｌｃを下回っていると判定された場合には、アノードのフラッディングと判定されてステップＳ６６０に処理が移る。

ステップＳ６６０では、アノードフラッディング判定処理とともに、下記の３つの制御のうちいずれか１つ（あるいは２つ以上）の制御を実現する処理が行われる。
・アノードまたは／およびカソードのガス流量増大制御
・アノードのガス循環比の低減制御（含水量の多い循環ガスの量を低減し、水素タンクからの水素量を増大）
・スタック温度上昇制御（例えば冷却水流量の低減）
その後、今回のルーチンが終了する。

以上の処理によれば、実施の形態１にかかる水素濃度推定手法を利用して、フラッディングに速やかに対処することができる。

実施の形態７．
実施の形態７によれば、優れた水素漏れ検知機能を備えた燃料電池システムが提供される。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態１で説明済みである。よって、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。

また、実施の形態７の燃料電池システムは、実施の形態６の燃料電池システムと同じハードウェア構成を備える。このため、ハードウェア構成の説明は省略する。ただし、実施の形態７では、ＥＣＵ６２０が、Ｃ_ｅｓｔおよびＣ_ｃａｌｃの履歴を保存する履歴保存処理を備えている。

図３４は、本発明の実施の形態７においてＥＣＵ６２０が実行するルーチンのフローチャートである。ステップＳ６４８、Ｓ６５０、Ｓ６５２、Ｓ６５４、およびＳ６５６の処理は、図３３と同じであるため説明を省略する。

図３４のルーチンでは、ステップＳ６５６においてＣ_ｅｓｔがＣ_ｃａｌｃ以上であると判定された場合には、履歴データへの保存が行われて今回のルーチンが終了する。

一方、ステップＳ６５６においてＣ_ｅｓｔがＣ_ｃａｌｃを下回っていると判定された場合には、履歴データと比較してＣ_ｅｓｔとＣ_ｃａｌｃの差が増大傾向にあるか否かが判定される（ステップＳ７１２）。この条件が否定された場合には、ステップＳ６５６へと処理が移り、その後今回のルーチンが終了する。

ステップＳ７１２の条件の成立が認められた場合には、Ｃ_ｅｓｔが、Ｃ_ｃａｌｃを下回りかつそれらの乖離が拡大傾向にあると判断できる。この場合には、燃料電池スタック６００内の水素濃度が水素供給量および消費水素量の差し引きから得られた水素濃度を下回ったあと、更にその水素濃度が低下し続けている。そのような水素濃度低下は、水素漏れに起因する疑いが強い。よって、本実施形態によれば、ステップＳ７１２の条件の成立が認められた場合には、水素漏れ判定、水素ボンベ直下の弁（主止弁）を閉じる制御、アラーム処理、ならびに終了処理が実行される。その後、今回のルーチンが終了する。

以上の処理によれば、実施の形態１にかかる水素濃度推定手法を利用して、水素漏れ検知を行うことができる。

実施の形態８．
実施の形態８によれば、システム始動時の弁の制御タイミングを、学習により最適化することができる燃料電池システムが提供される。本実施例にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態１で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。

図３５は、本発明の実施の形態８にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。実施の形態８の燃料電池システムは、燃料電池スタック８００を備えている。燃料電池スタック８００は、多数の単位セルが積層されることにより構成されている。これら多数の単位セルのうち、スタック両端の単位セルを、図３５に示すように単位セル８０４と単位セル８０６と称す。両端以外の単位セルは、単位セル８０２と称す。燃料電池スタック８００の内部には、アノードマニホールド８１０、８１２が延びている。

ＥＣＵ８２０は、インピーダンス測定装置８２２、アノード入口弁８１４およびアノード出口弁８１６とに接続する。インピーダンス測定装置８２２は、単位セル８０４および単位セル８０６と接続している。ＥＣＵ８２０は、インピーダンス測定装置８２２を介して、単位セル８０４のインピーダンスの測定値および単位セル８０６のインピーダンスの測定値を得ることができる。ＥＣＵ８２０は、実施の形態１のＥＣＵ５０と同様に、インピーダンス測定装置８２２を介して得たインピーダンス値に基づいて、水素濃度推定を行うことができる。以下、説明の便宜上、単位セル８０４のインピーダンスの実部の値をＺ´_{ｆｒｏｎｔ}とも称し、単位セル８０６のインピーダンスの実部の値をＺ´_ｅｎｄとも称す。なお、ＥＣＵ８２０は、タイマ機能を搭載するものとする。

［実施の形態８の動作］
一般に、弁を閉じる制御信号を発してから、実際にその弁が閉じるまでの期間には、応答遅れ分の時間（遅れ時間）が含まれる。アノード入口弁８１４やアノード出口弁８１６も、遅れ時間（以下、ΔＴとも称す）を有している。遅れ時間ΔＴは、ＥＣＵ８２０が弁閉じ信号を発してから、実際にそれらの弁が閉じるまでにかかる時間の長さである。この遅れ時間が考慮に入れられていないと、アノード入口弁８１４やアノード出口弁８１６が現実に閉じる時間が、意図するタイミングとずれてしまう。そこで、実施の形態８では、アノード入口弁８１４やアノード出口弁８１６の制御タイミングを、学習により最適化することとした。

図３６は、実施の形態８の燃料電池システムの動作を説明するためのタイムチャートである。本実施形態では、システム起動時、先ず、アノード入口弁８１４が開かれることにより、燃料電池スタック８００の水素充填が開始される。また、本実施形態では、アノード出口弁８１６も同時期に開かれる。これにより、システム停止時に、燃料電池スタック８００内の発電非関与ガス（より具体的には窒素）を、水素によって外部に押し流すことができる。

実施の形態８の燃料電池システムは、Ｚ´_{ｆｒｏｎｔ}およびＺ´_ｅｎｄに基づいて、システム起動期間に水素濃度推定を行う。十分な水素濃度上昇を示す変化をＺ´_{ｆｒｏｎｔ}が示した場合（具体的にはＺ´_{ｆｒｏｎｔ}が所定値以下になった場合）、単位セル８０４内に水素が供給されたと判断できる。単位セル８０６についてもＺ´_ｅｎｄに基づいて同様の判断をすることができる。

本実施形態では、単位セル８０４内に十分に水素が行き渡った時刻を、基準時刻として取り扱う。図３６に、この時刻をｔ_{ｓｔａｒｔ}と記す。

図３６に示すように、本実施形態では、ｔ_{ｓｔａｒｔ}から所定時間Ｔ_０を経過した後に、ＥＣＵ８２０がアノード入口弁８１４に対して制御信号を発する。また、ＥＣＵ８２０は、アノード出口弁８１６に対しても同時期に制御信号を発する。このタイミングから、さらにΔＴが経過した後に、最終的にそれらの弁が閉じる。

一方、本実施形態では、ｔ_{ｓｔａｒｔ}から時間のカウント（計測）が行われる。このカウントは、十分な水素濃度上昇を示す変化をＺ´_ｅｎｄが示したら（具体的にはＺ´_ｅｎｄが所定値以下になったら）、終了する。このカウントによって時間Ｔ_１が得られる。時間Ｔ_１は、単位セル８０４の水素濃度変化が認められた時点と、単位セル８０６の水素濃度変化が認められた時点との間の時間である。本実施形態では、この時間Ｔ_１を、燃料電池スタック８００において水素流入開始から水素充填完了までにかかった時間として取り扱う。

本実施形態では、Ｔ_０＋ΔＴの長さがＴ_１と一致するように、Ｔ_１に基づいてＴ_０を補正することとした。Ｔ_０＋ΔＴ＝Ｔ_１が成立すれば、ちょうど燃料電池スタック８００の水素充填が完了するタイミングに、アノード入口弁８１４やアノード出口弁８１６が現実に閉じる。従って、過不足のない理想的なタイミングで、アノード入口弁８１４やアノード出口弁８１６を閉じることができる。その結果、例えば、余分水素排出の回避や、排気系の水素希釈器の小型化や省略が可能である。

また、本実施形態では、Ｔ_０＋ΔＴ＜Ｔ_１にならないようにＴ_０の修正を行うこととした。

［実施の形態８の具体的処理］
図３７は、実施の形態８においてＥＣＵ８２０が実行するルーチンのフローチャートである。図３７のルーチンは、燃料電池システム起動時に、毎回、実行される。

図３７のルーチンでは、先ず、アノード入口弁８１４およびアノード出口弁８１６が開かれる（ステップＳ８５０）。これにより、燃料電池スタック８００の水素充填が開始される。

続いて、Ｚ´_{ｆｒｏｎｔ}が所定値以下となったら、タイマリセット（Ｔ＝０）が行われ、時間Ｔのカウントが開始される（ステップＳ８５２）。

ステップＳ８５２の後、時間ＴがＴ_０となったときに、ＥＣＵ８２０がアノード入口弁８１４およびアノード出口弁８１６に対して制御信号を発する（ステップＳ８５４）。ここでは、前回のシステム起動時に更新された最新のＴ_０が使用される。但し、初回のシステム起動時には、予め実験等により定めた初期設定時のＴ_０が使用される。

一方、ステップＳ８５２の後、ステップＳ８５６も実行される。ステップＳ８５６では、Ｚ´_ｅｎｄが所定値以下となったときに、タイマがストップされる。これにより、時間Ｔ_１が記憶される。

なお、ステップＳ８５６の実行中に、長期間にわたってＺ´_ｅｎｄに変化が見られない場合が発生しうる。この場合には、図３６のＴ_１´と記したように、アノード入口弁８１４が、単位セル８０６に水素が到達する前に閉じてしまったと考えられる。この場合、Ｔ_０が短すぎると判断できる。よって、ステップＳ８５２では、所定の判定時間までにＺ´_ｅｎｄの変化が認められない場合には、下記の式に従ってＴ_１が更新される。
Ｔ_１ ＝ （Ａ×Ｔ_０＋ΔＴ）
Ａ ＞ １．０
このＡの値は事前に定めておく。

ステップＳ８５４およびＳ８５６の後、Ｔ０の更新処理が実行される（ステップＳ８５８）。ステップＳ８５８では、下記の式に従って、Ｔ_０が補正される。
Ｔ_０ ＝ Ｔ_０−Ｂ×Ｓ
Ｂ ＜ １．０
Ｓ ＝ Ｔ_０＋ΔＴ−Ｔ_１
上記の式によれば、Ｔ_０がＴ_１に近づくように補正されていく。最終的にＴ_０＝Ｔ_１が成立した場合にはＳ＝０となり、Ｔ_０の最適化が完了する。

以上の処理によれば、アノード入口弁８１４やアノード出口弁８１６に対して制御信号を発するタイミングを、学習により最適化することができる。

［実施の形態８の比較例］
ここで、比較例を用いて、水素センサを用いて燃料電池スタック内の水素濃度を検知する場合に生じる問題を説明する。図３８は、実施の形態８の比較例として示す燃料電池スタックの、内部構成の模式図である。比較例の燃料電池スタックは、ダミーセル８７６を備えている。ダミーセルは８７６は、スタック内の最も水素流れ下流端に位置する単位セル８７２（以下「エンドセル８７２」とも称す）の、さらに奥側に配置されている。ダミーセル８７６は、内部に発電用の構成を備えていない。

比較例の燃料電池スタックは、アノード入口マニホールド８８０と、アノード出口マニホールド８８２、および、水素センサ８８４を備えている。この構成においてエンドセル８７２の水素欠が発生した場合、水素センサ８８４はその水素欠を検知すべきである。

しかし、ダミーセル８７６を流れてきた水素が水素センサ８８４に到達してしまうと、水素センサ８８４が、水素を感知してしまう。ダミーセルは、単位セルに比べて小さな流路抵抗、短い流路長に設計される場合もある。この場合、水素がダミーセル内を速やかに通過してしまう。このように、比較例の構成では、水素センサ８８４の水素欠検知が阻害されてしまう。

一方、実施の形態８によれば、単位セル８０６のインピーダンスに基づいて単位セル８０６の水素濃度を推定している。従って、比較例のような問題を招かない。

［実施の形態８の変形例］
実施の形態８においては、特に、単位セル８０４のアノード入口部分のインピーダンスと、単位セル８０６のアノード出口部分のインピーダンスとを、水素濃度推定の基礎とすることが望ましい。単位セルの特定部分のインピーダンスを測定する際には、実施の形態１の実施例２で述べた構成や、実施の形態４で述べた構成、あるいは公知技術を、適宜に利用すればよい。

実施の形態９．
以下、本発明の実施の形態９にかかる燃料電池システムを説明する。実施の形態９によれば、システム始動時における燃料電池の発電開始を、燃料電池内部の水素濃度が十分に高くなった適切なタイミングで行うことができる。本実施例にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態１で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。

［実施の形態９の実施例１］
＜実施の形態９の実施例１のシステム構成＞
図３９は、本発明の実施の形態９の実施例１にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例の燃料電池システムは、バイパス管路９１２と検知用セル９３０を備える点を除き、実施の形態１の実施例２の燃料電池システム（図１０参照）と基本的に同じハードウェア構成を備えている。単位セル９２０は、単位セル２０と同様の構成を備える。

検知用セル９３０は、アノードオフガスが流れる管路１８に配置される。検知用セル９３０は、その内部に、単位セル２０と同様の発電用の構成（ＭＥＡ、ガス拡散層等）を備えている。検知用セル９３０は、アノードに、管路１８を流れてくるアノードオフガスの供給を受け、カソードに、管路１２に連通するバイパス管路９１２を流れてくる空気の供給を受ける。検知用セル９３０には、電流計５２および電圧計５４が接続されている。ＥＣＵ５０は、電流計５２および電圧計５４の示す値に基づいて、検知用セル９３０のインピーダンスの測定値を得ることができる。

図４０は、実施の形態９にかかる単位セル９２０の構成を示す平面図である。単位セル９２０は、アノードのガス流路の出口９２４を備えている。出口９２４近傍の部分９２２が、最も水素濃度が低い。

＜実施の形態９の実施例１の具体的処理＞
図４１は、実施の形態９の実施例１においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図４１のルーチンは、燃料電池システムの起動時に実行される。

図４１のルーチンでは、先ず、図１１のルーチンと同様にステップＳ１００、Ｓ１０２、Ｓ１０４がＥＣＵ５０上で実行される。その後、燃料電池スタック９１０のアノード出口の水素濃度が算出される（ステップＳ９５６）。検知用セル９３０のインピーダンスに基づいて、アノード出口の水素濃度推定値が算出される。

次いで、水素濃度がＯＫか否かが判定される（ステップＳ９５７）。ステップＳ９５７では、今回得られたＺ´が、燃料電池スタック９１０の発電可能水素濃度値Ｚ´_ＳＴＡ以下か否かが判定される。つまり、Ｚ´≦Ｚ´_ＳＴＡが成立しているか否かが判定される。

ステップＳ９５７の条件が成立しなかった場合、つまりＺ´＞Ｚ´_ＳＴＡの場合には、燃料電池スタック９１０の発電は待機（つまり発電禁止）され、アノードへ水素が流されるとともに、処理はＳ９５６に戻る。その後、Ｓ９５６→Ｓ９５７→Ｓ９６０の処理が繰り返さる。やがて十分にスタック内の水素濃度が高くなったら、Ｚ´≦Ｚ´_ＳＴＡが成立する。

Ｚ´≦Ｚ´_ＳＴＡである場合には、燃料電池スタック１０の水素濃度が十分に高いと判断できる。よって、Ｚ´≦Ｚ´_ＳＴＡである場合には、燃料電池スタック９１０の起動開始処理が行われる（ステップＳ９５８）。その後今回のルーチンが終了する。

以上の処理によれば、燃料電池スタック９１０の起動（発電開始）を、スタック水素濃度が十分に高くなったときに、開始することができる。

［実施の形態９の実施例２］
実施の形態９の実施例２にかかる燃料電池システムの構成は、実施の形態９の実施例１にかかる燃料電池システムと同じ構成である。本実施例は、ＥＣＵ５０が図４２のルーチンを実行することにより実現される。

図４２は、実施の形態９の実施例２においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図４２のルーチンは、燃料電池スタック９１０の発電中に実行される。このルーチンによれば、システム運転中に燃料電池スタック９１０の水素濃度が過度に低くなった場合に、燃料電池スタック１０の発電抑制および水素濃度回復を行うことができる。

図４２のルーチンでは、先ず、反応ガスつまり空気及び水素が燃料電池スタック９１０に供給される（ステップＳ９５０）。空気量は潤沢なほうが好ましい。なお、通常発電中であれば既に空気と水素の供給は実行中のため、ステップＳ９５０は省略してもよい。その後、図１１のルーチンと同様にステップＳ１０２、Ｓ１０４がＥＣＵ５０上で実行される。

その後、水素濃度がＯＫか否かが判定される（ステップＳ９７０）。ステップＳ９７０では、図１１のルーチンのステップＳ１０７と同様に、今回得られたＺ´が、燃料電池スタック９１０の発電時の許容水素濃度値Ｚ´_Ｐ以下か否かが判定される。つまり、Ｚ´≦Ｚ´_Ｐが成立しているか否かが判定される。Ｚ´≦Ｚ´_Ｐである場合には、燃料電池スタック９１０の水素濃度が十分に高いと判断できる。よって、Ｚ´≦Ｚ´_Ｐである場合には、今回のルーチンが終了する。

ステップＳ９７０の条件が成立しなかった場合、つまりＺ´＞Ｚ´_Ｐの場合には、燃料電池スタック９１０の発電が停止される。そのうえで、図示しない水素タンクと管路１４の間にあるレギュレータの開度増により、管路１４を介して燃料電池スタック９１０に供給される水素ガス量が増加される。なお、Ｚ´＞Ｚ´_Ｐの場合に、燃料電池スタック９１０の発電停止に代えて、燃料電池スタック９１０の発電量を低減してもよい。この発電量低減の場合には、水素欠による燃料電池内部構成の劣化を招かない程度までに、十分に発電量を低減することが好ましい。

次いで、第２判断指標がＯＫか否かが判定される（ステップＳ９７４）。このステップでは、先ず、ＥＣＵ５０が、Ｓ１０４の時と同じ周波数で、引き続きインピーダンス測定用の処理を実行する。続いて、ＥＣＵ５０は、測定により得られたＺ´が、Ｚ´_Ｐ以下か否かの判定処理を行う。ステップＳ９７２以降は、水素量の増大中である。このため、水素濃度はやがて許容水素濃度まで上昇する。これに応じてＺ´の値は小さくなり、やがてＺ´≦Ｚ´_Ｐが成立する。

ステップＳ９７４においてＺ´≦Ｚ´_Ｐが成立した場合には、ステップＳ９７２で行われていた制御が終了され、発電が再開される（ステップＳ９７６）。その後、今回のルーチンが終了する。

以上の処理によれば、燃料電池スタック９１０内部の水素濃度が所定濃度より低い場合には、燃料電池スタック９１０の発電禁止または発電抑制を行うことができる。更に、システム運転中に燃料電池スタック９１０の水素濃度が過度に低くなった場合に、燃料電池スタック１０の水素濃度回復を行うことができる。

なお、実施の形態９の燃料電池システムを車両に搭載した場合には、発電停止中や発電量低減中に、車両のバッテリから車両要求出力がまかなわれる（バッテリ走行）。また、水素濃度回復時の余剰電力は、バッテリに充電または放熱板を介して廃棄することができる。

なお、実施の形態９では、検知用セル９３０をシステムに設置し、検知用セル９３０のインピーダンス測定値を使って水素濃度推定を行った。しかしながら、検知用セル９３０を用いなくともよい。この場合には、単位セル９２０のいずれかに対してインピーダンス測定を行えばよい。好ましくは、実施の形態１の実施例２と同様の構成によって、水素流れの下流部分（部分９２２）のインピーダンス測定を行えばよい。

なお、上述した実施の形態１〜９では、負荷４、実施の形態１の実施例１にかかる図示しない水素系機器および空気系機器、パージ弁５６、排気弁２１６、排気弁２５８、パージ弁３１２、エアポンプ３１４、水素ポンプ５１６、パージ弁５１８、アノード入口弁８１４、アノード出口弁８１６が、前記第２１、２２、２５または２７の発明にかかる「システム周辺装置」に相当している。

また、上述した実施の形態９では、燃料電池スタック９１０が、前記第２２の発明における「燃料電池」に相当している。また、実施の形態９では、ＥＣＵ５０が図４１のルーチンのステップＳ９５７を実行することにより、前記第２２の発明における「発電制御手段」が実現されている。また、実施の形態９では、ＥＣＵ５０が図４２のルーチンのステップＳ９７０、Ｓ９７２を実行することにより、前記第２２の発明における「発電制御手段」が実現されている。

なお、実施の形態２〜９では、便宜上、インピーダンスの実部の値（Ｚ´）を用いる場合を代表例にして、本発明にかかる水素濃度推定手法を燃料電池システム上で実現する形態を説明した。しかしながら、本発明はこれに限られない。実施の形態２〜９の燃料電池システムに対して、実施の形態１の水素濃度推定手法にかかる種々の値（虚部の値Ｚ´´、絶対値|Ｚ|、位相θ、Ｉ−Ｖ接線抵抗値|ΔＶ|／|ΔＩ|、インピーダンス円弧の曲率半径ρあるいは曲率ｋその他の数値、フィッティングカーブの長さＬ）のうち、何れの手法が適用されても良い。それらの値と所定の判定値との比較に基づいて、燃料電池内部の水素濃度に応じて、実施の形態２〜９の各種制御を実行することができる。また、それらの値を用いて定めた水素濃度特性マップに基づいて推定値を算出し、推定値を所定の基準水素濃度値と比較してもよい。

Claims (28)

1. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスまたはアドミタンスを測定する測定手段と、
   前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記燃料電池のインピーダンス円弧が相対的に大きいときに水素濃度が相対的に低く推定されるように、前記燃料電池内部の水素濃度を推定する推定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。
2. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
   前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池のインピーダンスの実部の値を取得する手段と、
   前記実部の値が所定値以上である場合に、前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下であると推定する推定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。
3. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
   前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池のインピーダンスの虚部の値を取得する手段と、
   前記虚部の値の絶対値が所定値以上である場合に、前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下であると推定する推定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。
4. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
   前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
   前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
   前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径または前記数値に基づいて、前記燃料電池の水素濃度を推定する推定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。
5. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、Ｉ−Ｖ接線抵抗値を測定する測定手段と、
   前記Ｉ−Ｖ接線抵抗値に基づいて、前記燃料電池の水素濃度を推定する推定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。
6. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定する測定手段と、
   前記燃料電池のインピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値と、前記燃料電池内部の水素濃度との関係を定めた水素濃度特性を記憶した記憶手段と、
   前記測定手段が測定した前記インピーダンスまたは前記Ｉ−Ｖ接線抵抗値に基づいて、前記水素濃度特性に従って、前記燃料電池内部の水素濃度推定値を算出する推定値算出手段と、
   を含むことを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。
7. 前記燃料電池の電圧がＯＣＶ（Open Circuit Voltage）未満となり、かつ、バイアス電圧が所定電圧以上となるように或いはバイアス電流が所定電流以下となるように、前記測定手段のインピーダンス測定中に前記燃料電池にバイアスを与える所定バイアス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４および６のいずれか１項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。
8. 前記燃料電池のＯＣＶを取得するＯＣＶ取得手段と、
   前記ＯＣＶ取得手段が取得したＯＣＶの値に基づいて、前記所定バイアス供給手段が前記燃料電池に与える前記バイアスの大きさを、補正するバイアス補正手段と、
   を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。
9. 前記燃料電池のＯＣＶを取得するＯＣＶ取得手段と、
   前記ＯＣＶ取得手段が取得したＯＣＶから所定値を減じることにより、目標バイアス電圧を算出する目標バイアス算出手段と、
   前記測定手段のインピーダンス測定中に、前記目標バイアス電圧に基づいて、前記燃料電池にバイアスを与える目標バイアス供給手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至４および６のいずれか１項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。
10. 前記燃料電池のインピーダンスの低周波数域における周波数特性曲線が複素平面上で実質的に１つの円弧を描く程度の大きさの、バイアス電圧またはバイアス電流を、前記測定手段のインピーダンス測定中に前記燃料電池に与える特定バイアス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４および６のいずれか１項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。
11. 前記低周波数域が、１００Ｈｚ〜０．１Ｈｚであることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。
12. 前記測定手段が、
    前記燃料電池の電流および電圧を計測するための計測手段と、
    前記計測手段の計測値に基づいて、前記燃料電池のＩ−Ｖ特性上におけるＯＣＶ付近の所定部分の傾きを算出する手段と、
    前記傾きに基づいて、前記Ｉ−Ｖ接線抵抗値を算出する手段と、
    を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。
13. 前記燃料電池内部の水分量を検知または推定する手段を備え、
    前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値と、前記検知手段が検知または推定した前記水分量と、に基づいて前記燃料電池内部の水素濃度を推定することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。
14. また、第１４の発明は、第１乃至第１３の発明のいずれか１つの発明において、
    前記燃料電池が、固体高分子電解質型燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。
15. アノード流路を有し該アノード流路に水素の供給を受けて発電する第１単位セルと、アノード流路を有し該アノード流路に水素の供給を受けて発電する第２単位セルと、を、備えた燃料電池と、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の、燃料電池の水素濃度推定装置と、
    を備え、
    前記第１単位セルの前記アノード流路よりも、前記第２単位セルの前記アノード流路のほうが、圧力損失が大きく、
    前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記第２単位セルのインピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定し、
    前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記第２セルの水素濃度を推定することを特徴とする燃料電池システム。
16. 前記燃料電池が、前記複数の単位セルのそれぞれの前記アノード流路出口に接続する出口マニホールドを備え、
    前記出口マニホールドの出口に接続する弁を、更に備え、
    前記第２単位セルのアノード流路出口と前記出口マニホールドとの合流部が、前記第１単位セルのアノード流路出口と前記出口マニホールドとの合流部よりも、流路断面積が小さいことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
17. 燃料電池と、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の、燃料電池の水素濃度推定装置と、
    を備え、
    前記燃料電池が、
    それぞれが、入口と出口を備えたアノード流路を有し、該アノード流路に水素の供給を受けて発電する、複数の単位セルと、
    前記複数の単位セルのうち第１群の単位セルの、前記アノード流路入口に接続する第１マニホールドと、
    前記複数の単位セルのうち第２群の単位セルの、前記アノード流路出口に接続する第２マニホールドと、
    前記第１群の単位セルの前記アノード流路出口と、前記第２群の単位セルの前記アノード流路入口と、に接続する第３マニホールドと、
    を備え、
    前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記第２群の単位セルの少なくとも１つの単位セルの、インピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定し、
    前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記少なくとも１つの単位セルの水素濃度を推定することを特徴とする燃料電池システム。
18. 前記複数の単位セルは、それぞれが平たい形状であり、
    前記複数の単位セルは、それぞれ、入口と出口を有し前記アノード流路に対して所定方向を向くように設けられたカソード流路を備え、
    前記燃料電池は、前記形状の前記単位セルが、それぞれの前記カソード流路の前記入口の位置と前記出口の位置とが揃うように重ねられた構成を有し、
    前記第３マニホールドが、
    前記第１群の単位セルの前記アノード流路出口に接続する第１の部分と、
    前記第２群の単位セルの前記アノード流路入口に接続する第２の部分と、
    前記第１群の単位セルと前記第２群の単位セルとの間に備えられ、前記第１群の単位セルの前記アノード流路と、前記第２群の単位セルの前記アノード流路とが、同じ方向を向くように、前記第１の部分と前記第２の部分とを接続するダミー流路と、を有することを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
19. アノードに水素の供給を受けカソードに酸化剤ガスの供給を受けて発電する複数の単位セルが積層されることにより形成された単位セル積層体と、前記単位セル積層体を挟むプラス側エンドプレートとマイナス側エンドプレートと、を有する燃料電池スタックと、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の、燃料電池の水素濃度推定装置と、
    を備え、
    前記単位セル積層体は、前記マイナス側エンドプレートに最も近い端側単位セルを含み、
    前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記端側単位セルのインピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定し、
    前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記端側単位セルの水素濃度を推定することを特徴とする燃料電池システム。
20. 電解質の表面にアノードが設けられた発電体と、前記発電体のアノード側表面に設けられたアノード流路と、を備えた燃料電池と、
    前記発電体の前記アノード流路上における特定部分の、電流値および電圧値を計測する部分電気特性計測手段と、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の、燃料電池の水素濃度推定装置と、
    を備え、
    前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記部分電気特性計測手段の計測した前記電流値と前記電圧値とに基づいて、前記特定部分のインピーダンス、アドミタンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定し、
    前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記特定部分の水素濃度を推定することを特徴とする燃料電池システム。
21. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
    前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
    前記燃料電池を推定対象とする、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の、燃料電池の水素濃度推定装置と、
    を備え、
    前記制御手段が、前記水素濃度推定装置により得られた水素濃度の推定結果に基づいて前記システム周辺装置の制御を行う手段を、含むことを特徴とする燃料電池システム。
22. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
    前記燃料電池の、インピーダンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定する測定手段と、
    前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段が、前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、Ｉ−Ｖ接線抵抗値が所定値以上である場合に前記燃料電池の発電量が低減するようにまたは発電が停止するように、前記測定手段による測定値に基づいて前記システム周辺装置を制御する発電制御手段を、含むことを特徴とする燃料電池システム。
23. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
    燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
    前記燃料電池の、インピーダンスまたはＩ−Ｖ接線抵抗値を測定する測定手段と、
    前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、Ｉ−Ｖ接線抵抗値が所定値以上である場合に前記パージが実行されるように、前記測定手段による測定値に基づいて前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
24. 前記パージ制御手段が、前記パージの実行中に前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、Ｉ−Ｖ接線抵抗値が所定値を下回った場合に前記パージが終了されるように、前記パージ機構を制御することを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池システム。
25. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
    前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
    前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
    前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
    前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
    を備え、
    前記制御手段が、前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さまたは前記数値と、所定の判定値との比較に基づいて、前記燃料電池の発電状態を調節する発電調節手段を、含むことを特徴とする燃料電池システム。
26. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
    燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
    前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
    前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
    前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
    前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さまたは前記数値と、所定の判定値との比較に基づいて、前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
27. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
    前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
    前記燃料電池のインピーダンスの位相を測定する測定手段と、
    前記制御手段が、前記測定手段が測定した前記位相と所定位相との位相差に基づいて前記燃料電池の発電状態を調節する発電調節手段を、含むことを特徴とする燃料電池システム。
28. アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
    燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
    前記燃料電池のインピーダンスの位相を測定する測定手段と、
    前記測定手段が測定した前記位相と所定位相との位相差に基づいて、前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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