(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池内のアノードガス流路の水素濃度の推定精度を向上させる。【解決手段】アノード電極の触媒担持量がカソード電極の触媒担持量よりも少ない燃料電池と、燃料電池に交流電圧を重畳する交流電圧重畳部と、を備え、燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給して負荷に応じて発電させる燃料電池システムであって、交流電圧重畳部によって低周波交流電圧を重畳したときの燃料電池のインピーダンス実部に基づいて、燃料電池内のアノード側の水素濃度を推定する。【選択図】図７
2015069909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極の触媒担持量がカソード電極の触媒担持量よりも少ない燃料電池と、
前記燃料電池に交流電圧を重畳する交流電圧重畳部と、
を備え、前記燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給して負荷に応じて発電させる燃料電池システムであって、
前記交流電圧重畳部によって低周波交流電圧を重畳したときの前記燃料電池のインピーダンス実部に基づいて、前記燃料電池内のアノード側の水素濃度を推定する推定手段を備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムの起動時に前記推定手段を実施し、前記推定手段の結果に基づいて前記燃料電池内のアノード側の水素濃度不足を判定する判定手段と、
前記判定手段の実施後に、水素フロント劣化抑制用の所定流量のアノードガスを前記燃料電池に供給する起動時ガス供給手段と、
を備え、
前記起動時ガス供給手段は、
前記判定手段によって水素濃度不足と判定されたときは、水素濃度不足と判定されなかったときよりも前記所定流量を大きくする、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記起動時ガス供給手段は、
前記判定手段によって水素濃度不足と判定されたときは、前記インピーダンス実部の値が小さいときほど前記所定流量を大きくする、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記判定手段は、
前記インピーダンス実部が負の値を示していたときに、水素濃度不足と判定する、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記推定手段は、
異なる２つの周波数の交流電圧を重畳し、低周波数側の交流電圧を重畳した場合の前記インピーダンス実部の値と、高周波数側の交流電圧を重畳した場合の前記インピーダンス実部の値とに基づいて、前記燃料電池内のアノード側の水素濃度を推定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記判定手段は、
前記低周波数側の交流電圧を重畳した場合の前記インピーダンス実部の値が、前記高周波数側の交流電圧を重畳した場合の前記インピーダンス実部の値よりも小さいときに、水素濃度不足と判定する、
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池システム起動後の通常運転時は、前記交流電圧重畳部によって、前記燃料電池の電解質膜の抵抗が計測可能な高周波交流電圧を前記燃料電池に重畳して、前記電解質膜の湿潤度を推定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池内のアノードガス流路の水素濃度を推定し、その推定した水素濃度を燃料電池システムの制御に使用するものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１７２０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、燃料電池内のアノードガス流路の窒素濃度を推定することで、間接的に水素濃度を推定していたので、推定精度が低いという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池内のアノードガス流路の水素濃度に応じて直接的に変化するパラメータを用いて水素濃度を推定することで、その推定精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様によれば、アノード電極の触媒担持量がカソード電極の触媒担持量よりも少ない燃料電池と、燃料電池に交流電圧を重畳する交流電圧重畳部と、を備え、燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給して負荷に応じて発電させる燃料電池システムが提供される。そして、その燃料電池システムが、交流電圧重畳部によって所定周波数以下の交流電圧を重畳したときの燃料電池のインピーダンス実部に基づいて、燃料電池内のアノードガス濃度を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
アノード電極ではカソード電極よりも電極上での電気化学反応が起こりやすいため、カソード電極よりも触媒表面積を小さくしている。そのため、カソード電極中には十分な白金触媒が存在しているため、カソード電極中の白金触媒が酸化しても、カソード電極の反応抵抗の増加は微小である。
【０００８】
一方で、空気の混入によってアノードガス流路内の水素濃度が低下してアノード電極の電位が高くなることにより、アノード電極中の白金触媒の酸化が促進されて触媒の機能が低下したときは、アノード電極の反応抵抗の増加が顕著に表れる。
【０００９】
そのため、アノード電極の触媒表面積がカソード電極の触媒表面積よりも小さい燃料電池では、燃料電池内のアノードガス流路の水素濃度が低下している場合に燃料電池に所定周波数以下の交流電圧を印加すると、印加分の電圧増によってアノード電極の電位がさらに高くなってアノード電極中の白金触媒の酸化が一層促進され、アノード電極の反応抵抗が顕著に増加する。
【００１０】
このとき、通常であれば交流電圧を重畳したことによる電圧増によって燃料電池を流れる電流も増加し、燃料電池のインピーダンス実部は正の値を示す。しかしながら、アノードガス流路のアノードガス濃度が低下している場合は、交流電圧を印加したことによってアノード電極の反応抵抗が顕著に増加するので、電流が流れにくくなる。その結果、交流電圧の印加による電圧増に反して燃料電池を流れる電流が減少するという現象が起きて、燃料電池のインピーダンス実部が負の値を示す。
【００１１】
よって、本態様のように、交流電圧印加部によって所定周波数以下の交流電圧を印加したときの燃料電池のインピーダンス実部に基づいて燃料電池内の水素濃度を推定することで、その推定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池の概略斜視図である。
【図２】図１の燃料電池のII−II断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図４】燃料電池システム起動時のカーボン腐食について説明する図である。
【図５】アノード電極及びカソード電極の各電極電位と、各電極中の白金触媒の酸化被膜率と、の関係を示した図である。
【図６】重畳する交流電圧の周波数を数ヘルツから減少させていったときの内部インピーダンスＺを複素平面にプロットしたナイキスト線図である。
【図７】本発明の第１実施形態による水素フロント劣化抑制制御について説明するフローチャートである。
【図８】重畳する交流電圧の周波数を数ヘルツから減少させていったときの内部インピーダンスＺを複素平面にプロットしたナイキスト線図である。
【図９】本発明の第２実施形態による水素フロント劣化抑制制御について説明するフローチャートである。
【図１０】重畳する交流電圧の周波数を数ヘルツから減少させていったときの内部インピーダンスＺを複素平面にプロットしたナイキスト線図である。
【図１１】本発明の第３実施形態による水素フロント劣化抑制制御について説明するフローチャートである。
【図１２】低水素濃度時用のガス供給処理について説明するフローチャートである。
【図１３】低周波側インピーダンス実部Ｚｒに基づいて、アノードガス流路の水素濃度を算出するテーブルである。
【図１４】アノードガス流路の水素濃度に基づいて、水素フロント劣化を抑制するために必要なアノードガス供給流量を算出するテーブルである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１４】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１５】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
【００１６】
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１７】
図１及び図２は、本発明の第１実施形態による燃料電池１０の構成について説明する図である。図１は、燃料電池１０の概略斜視図である。図２は、図１の燃料電池１０のII−II断面図である。
【００１８】
燃料電池１０は、ＭＥＡ１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。
【００１９】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。
【００２０】
電解質膜１１１は、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る。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２１】
アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。
【００２２】
触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。なお、アノード電極１１２ではカソード電極１１３よりも電極上での電気化学反応が起こりやすい。そのため、本実施形態ではカソード電極１１３よりもアノード電極１１２の触媒担持量を少なくしている。
【００２３】
ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
【００２４】
カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。
【００２５】
アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。
【００２６】
カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。
【００２７】
アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に逆方向に流れる。互いに平行に同一方向に流れるようにしても良い。
【００２８】
このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタック１として使用する。そして、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００２９】
図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
【００３０】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、電力系４と、コントローラ５と、を備える。
【００３１】
燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１ａと、カソード電極側出力端子１ｂと、を備える。
【００３２】
カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。
【００３３】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
【００３４】
カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。
【００３５】
フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
【００３６】
エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。
【００３７】
カソードコンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
【００３８】
カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、ＷＲＤ２７のカソードガス入口部近傍のカソードガスの圧力を検出する。
【００３９】
ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。
【００４０】
カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００４１】
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧水素タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、を備える。
【００４２】
高圧水素タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００４３】
アノードガス供給通路３２は、高圧水素タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧水素タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
【００４４】
アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００４５】
アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。
【００４６】
アノードガス排出通路３４を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。
【００４７】
パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ５によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を制御する。
【００４８】
電力系４は、電流センサ４１と、電圧センサ４２と、走行モータ４３と、インバータ４４と、バッテリ４５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６と、を備える。
【００４９】
電流センサ４１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。
【００５０】
電圧センサ４２は、アノード電極側出力端子１ａとカソード電極側出力端子１ｂの間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。また、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の１枚ごとの電圧を検出できるようにすると尚良い。さらに、複数枚おきに電圧を検出できるようにしても良い。
【００５１】
走行モータ４３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。走行モータ４３は、燃料電池スタック１及びバッテリ４５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。
【００５２】
インバータ４４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ４４の半導体スイッチは、コントローラ５によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ４４は、走行モータ４３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ４５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して走行モータ４３に供給する。一方で、走行モータ４３を発電機として機能させるときは、走行モータ４３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ４５に供給する。
【００５３】
バッテリ４５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び走行モータ４３の回生電力を充電する。バッテリ４５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５などの補機類及び走行モータ４３に供給される。
【００５４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。
【００５５】
コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
【００５６】
コントローラ５には、前述したエアフローセンサ２４などの他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ５１やカソードコンプレッサ２５の回転速度を検出する回転速度センサ５２、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）を検出する水温センサ５３などの燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種の信号が入力される。
【００５７】
コントローラ５は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。具体的には、走行モータ４３の消費電力やカソードコンプレッサ２５等の補機類の消費電力、バッテリ４５の充放電要求などに基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。そして、燃料電池スタック１の出力電流が目標出力電流となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御し、走行モータ４３や補機類などに必要な電力を供給する。
【００５８】
ところで、燃料電池システム１００の停止後は、時間の経過に伴い、アノードガス流路１２１には、カソードガス流路１３１からリークしてきたカソードガスや大気中の空気（カソードガス）の侵入によってカソードガスが存在する状態となる。
【００５９】
このような状態で燃料電池システム１００を起動して、アノードガス流路１２１にアノードガスを供給すると、アノードガス流路１２１の上流にアノードガスが存在し、下流にカソードガスが存在する状態となる。そうすると、アノード電極１１２で局部電池が形成されて、カソード電極１１３の触媒層１１３ａのカーボンが酸化腐食することがある。このようなカーボン腐食は、燃料電池１０の出力を低下させる原因となる。以下、図４を参照して、このカーボン腐食の原理について簡単に説明する。
【００６０】
図４は、燃料電池１０の断面図であり、燃料電池システム起動時のカーボン腐食について説明する図である。
【００６１】
図４に示すように、アノードガス流路１２１にカソードガスが存在する状態で燃料電池システム１００を起動して、アノードガス流路１２１にアノードガスを供給すると、アノードガス流路１２１の上流にアノードガスが存在し、下流にカソードガスが存在する状態となる。つまり、アノードガス流路１２１のなかで、アノードガスとカソードガスとの境界面（水素フロント）が存在する状態となる。
【００６２】
そうすると、燃料電池１０の上流側では通常の電池が形成されて、以下の（３）（４）式の反応が起こる。
【００６３】
アノード電極（上流側）  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-                   …(３)
カソード電極（上流側）  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ           …(４)
【００６４】
一方で、アノードガス流路１２１の下流にカソードガスが存在する状態では、アノードガス流路１２１の上流をアノード電極、下流をカソード電極とした局部電池がアノード電極側に形成されることになる。これにより、燃料電池１０の下流側では、（３）式で発生した電子を消費するために、アノード電極で以下の（５）式の反応が起こり、その結果、カソード電極で以下の（６）式の反応が起こる。
【００６５】
アノード電極（下流側）  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ           …(５)
カソード電極（下流側）  ：    Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋ＣＯ2     …(６)
【００６６】
このようにして、カソード電極１１３の下流側で炭素が二酸化炭素になる酸化反応（（６）式の反応）が生じるため、カソード電極１１３の触媒層１１３ａのカーボンが酸化腐食するのである。
【００６７】
燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合、定置式の燃料電池システムと比べてシステム起動停止回数が非常に多くなる。したがって、燃料電池システム１００の起動時におけるこの水素フロントによる燃料電池１０の劣化（以下「水素フロント劣化」という。）を抑制する必要がある。
【００６８】
この水素フロント劣化を抑制する手段の１つとして、燃料電池システム１００の起動時に、アノードガスをアノードガス流路１２１の入口から出口まで素早く通り抜けさせることで、水素フロント劣化が生じる時間を短くする方法がある。
【００６９】
ここで従来は、アノードガス流路１２１の水素濃度を精度良く検出する有効な方法がなかったため、水素フロント劣化を防止するために、燃料電池システム１００の起動時には、保守的にアノードガスを多めに供給しながら排出していた。これにより、アノードガスをアノードガス流路１２１の入口から出口まで素早く通り抜けさせていた。
【００７０】
しかしながら、保守的にアノードガスを多めに供給するために、燃費が悪化するという問題点があった。また、多めに供給したアノードガス中の水素を希釈するために、余分にカソードガスも供給しなければならず、その分カソードコンプレッサ２５の消費電力が増加して燃費が悪化するとともに、音振性能も悪化するという問題点があった。
【００７１】
そこで本実施形態では、アノードガス流路１２１の水素濃度を精度良く推定し、水素濃度に応じて燃料電池システム１００の起動時に供給するアノードガスの流量を制御することとした。
【００７２】
以下では、まず本実施形態によるアノードガス流路１２１の水素濃度の推定方法について説明する。
【００７３】
前述したように、従来の燃料電池システムでは、アノードガス流路１２１の窒素濃度を推定することで間接的にアノードガス濃度を推定していたため、推定精度が低かった。そこで本件発明者らがアノードガス流路１２１の水素濃度に応じて直接的に変化するパラメータについて鋭意研究を行った結果、低周波数の交流電圧を印加したときの燃料電池スタック１のインピーダンス実部Ｚｒが、アノードガス流路１２１の水素濃度に応じて直接的に変化することを知見した。
【００７４】
具体的には、アノードガス流路１２１の水素濃度が低くなると、ある周波数以下の交流電圧を印加したときの燃料電池スタックのインピーダンス実部Ｚｒが負の値を示すことがわかった。この理由について、以下説明する。
【００７５】
図５は、アノード電極１１２及びカソード電極１１３の各電極電位と、各電極中の白金触媒の酸化被膜率と、の関係を示した図である。
【００７６】
図５に示したように、各電極中の白金触媒は、ある電位（約０．６［Ｖ］）以上の電位にさらされると、酸化して表面に酸化被膜が形成され始め、高電位になるほど酸化被膜率が増加する。白金触媒が酸化被膜に覆われると、触媒の活性が失われるため、電極反応は起こりにくくなる。
【００７７】
ここで、アノード電極１１２及びカソード電極１１３の各電極電位は、各電極に触れているガス種によって決まるものであり、アノードガス流路１２１が水素で満たされている状態であれば、アノード電極１１２の電位は約０［Ｖ］となる。そして、アノードガス流路１２１に空気が混入し、水素濃度が低下するにつれてアノード電極１１２の電位は増加する。アノードガス流路１２１が空気で満たされた状態になったときは、アノード電極１１２の電位は、理論上は約１．２３［Ｖ］となる。
【００７８】
カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様であり、カソードガス流路１３１が水素で満たされている状態であれば、カソード電極１１３の電位は約０［Ｖ］となる。そして、カソードガス流路１３１が空気で満たされている状態であれば、カソード電極１１３の電位は、理論上は約１．２３［Ｖ］となる。
【００７９】
ここで、アノード電極１１２ではカソード電極１１３よりも電極上での電気化学反応が起こりやすいため、本実施形態では、アノード電極１１２の触媒担持量をカソード電極１１３の触媒担持量よりも少なくしている。そのため、カソード電極１１３中には十分な白金触媒が存在しているので、カソード電極１１３中の白金触媒が酸化して白金触媒の酸化被膜率が増加しても、カソード電極１１３の反応抵抗の増加は微小である。
【００８０】
一方で、空気の混入によってアノードガス流路１２１内の水素濃度が低下してアノード電極１１２の電位が高くなることにより、アノード電極１１２中の白金触媒の酸化が促進されて触媒の機能が低下したときは、もともとのアノード電極１１２中の白金触媒の担持量が少ないために、アノード電極１１２の反応抵抗の増加が顕著に表れる。
【００８１】
そのため、アノード電極１１２の触媒担持量がカソード電極１１３の触媒担持量よりも少ない燃料電池スタック１では、アノードガス流路１２１の水素濃度が低下している場合に燃料電池スタック１に低周波数の交流電圧を重畳すると、重畳分の電圧増によってアノード電極１１２の電位がさらに高くなってアノード電極１１２中の白金触媒の酸化が一層促進され、アノード電極１１２の反応抵抗が顕著に増加する。
【００８２】
このとき、通常であれば交流電圧を重畳したことによる電圧増によって燃料電池スタック１を流れる電流も増加し、燃料電池スタック１のインピーダンス実部は正の値を示す。しかしながら、アノードガス流路１２１の水素濃度が低下している場合は、交流電圧を重畳したことによってアノード電極１１２の反応抵抗が顕著に増加するので、電流が流れにくくなる。その結果、交流電圧を重畳したことによる電圧増に反して燃料電池スタック１を流れる電流が減少するという現象が起きて、燃料電池スタック１のインピーダンス実部が負の値を示すのである。
【００８３】
この現象についてさらに説明すると、燃料電池の内部インピーダンスＺは、燃料電池の電解質膜抵抗をＲｓｏｌ、電気二重層容量をＣｄｌ、ファラデーインピーダンスをＺＦとすると、以下の（７）式で表せる。
【００８４】
【数１】
2015069909.tif 000003
【００８５】
ここで、アノード電極１１２の電位Ｅの変動に対して、ある遅れ（ここでは一次遅れとする）をもってアノード電極１１２中の白金触媒の酸化被膜率θが変動するものとする。具体的には電位変動ΔＥに対する酸化被膜率変動Δθが、時定数τθ及びゲインａθの一次遅れを持つとすると、以下の（８）式が導ける。
【００８６】
【数２】
2015069909.tif 000004
【００８７】
また、燃料電池スタック１を流れる電流が、電位Ｅとアノード電極１１２中の白金触媒の酸化被膜率θとで決まるとすると、以下の（９）式が導ける。
【００８８】
【数３】
2015069909.tif 000005
【００８９】
そして、線形性が確保されていると仮定して、（９）式をテイラー展開して一次の項まで考えると、以下の（１０）式が導ける。
【００９０】
【数４】
2015069909.tif 000006
【００９１】
（１０）式の両辺を電位変動ΔＥで除算すると、以下の（１１）式が導ける。
【００９２】
【数５】
2015069909.tif 000007
【００９３】
この（１１）式の左辺（ΔＩ／ΔＥ）は、白金触媒の酸化被膜率を考慮した場合の電位変動に対する電流変動を表しており、ファラデーインピーダンスＺＦの逆数（アドミタンス）である。
【００９４】
また、（１１）式の右辺第１項（∂Ｉ／∂Ｅ）は、白金触媒が酸化被膜で覆われていない場合の電位変動に対する電流変動を表しており、白金触媒が酸化被膜で覆われていない場合のアノード電極１１２の反応抵抗Ｒａｃｔの逆数である。そして、右辺第２項（（∂Ｉ／∂θ）・（Δθ／ΔＥ））は、被膜率変動に対する電流変動の項（∂Ｉ／∂θ）と、電位変動に対する被膜率変動の項（Δθ／ΔＥ）と、を乗算した形で表される。
【００９５】
つまり、（１１）式は、ファラデーインピーダンスＺＦの逆数（アドミタンス）が、白金触媒が酸化被膜で覆われていない場合のアノード電極１１２の反応抵抗Ｒａｃｔの項（右辺第１項）と、白金触媒の酸化被膜率によって変化するアドミタンスの項（右辺第２項）と、で表されることを示している。
【００９６】
この（１１）式に（８）式を代入して整理すると、以下の（１２）式となる。
【００９７】
【数６】
2015069909.tif 000008
【００９８】
そして、（１２）式の逆数を取って整理すると、以下の（１３）式となる。
【００９９】
【数７】
2015069909.tif 000009
【０１００】
（１３）式を（７）式に代入して、内部インピーダンスＺを複素数式Ｚ＝Ｚｒ＋ｊＺｉの形に整理すると、実部Ｚｒ及び虚部Ｚｉはそれぞれ次のように表すことができる。
【０１０１】
【数８】
2015069909.tif 000010
【０１０２】
図６は、重畳する交流電圧の周波数を数ヘルツから減少させていったときの内部インピーダンスＺを複素平面にプロットしたナイキスト線図である。
【０１０３】
アノードガス流路１２１の水素濃度が低下しているときに、低周波交流電圧を重畳したことによる電圧増によってアノード電極１１２中の白金触媒の酸化被膜率が増加し、電圧増に反して燃料電池スタック１を流れる電流が減少するという現象が起きたときは、被膜率変動に対する電流変動（∂Ｉ／∂θ）が負の値となる。
【０１０４】
そして、この被膜率変動に対する電流変動（∂Ｉ／∂θ）は、重畳する交流電圧の周波数が低くなるほど小さくなる。これは、重畳する交流電圧の周波数を低くするほど、一周期が長くなって、交流電圧を重畳したときに電圧が増加している時間が長くなる。そのため、アノード電極１１２が高電位にさらされる時間が長くなって、白金触媒の酸化被膜率が増加するためである。
【０１０５】
その結果、図６に示すように、ある周波数（本実施形態では約０．３５[Ｈｚ]）以下の交流電圧を重畳したときに、インピーダンス実部Ｚｒが負の値を示すことになる。そのため、少なくともインピーダンス実部Ｚｒが負の値を示すような状態であれば、アノードガス流路１２１の水素濃度が低いと判定することができる。
【０１０６】
なお、重畳する交流電圧の周波数が高いと、交流電圧を重畳したときに電圧が増加している時間が短くなって、白金触媒の酸化反応の応答が追従できなくなるため、白金触媒の酸化被膜率の増加が少なくなる。そのため、インピーダンス実部Ｚｒが負の値を示すには、ある周波数以下の周波数の交流電圧を重畳する必要がある。
【０１０７】
なお、
以下、このような水素濃度の推定方法を使用した水素フロント劣化抑制制御について説明する。
【０１０８】
図７は、本実施形態による水素フロント劣化抑制制御について説明するフローチャートである。コントローラ５は、このルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。
【０１０９】
ステップＳ１において、コントローラ５は、燃料電池システム１００の起動時か否かを判定する。コントローラ５は、燃料電池システム１００の起動時であれば、水素フロント劣化抑制処理を実施するためにステップＳ２の処理に移行する。一方で、水素フロント劣化抑制処理などの起動準備処理が終了していれば通常運転時であるとしてステップＳ７の処理を行う。
【０１１０】
ステップＳ２において、コントローラ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６を制御して、所定周波数（本実施形態では０．１［Ｈｚ］）の低周波交流電圧を燃料電池スタック１の出力電圧に重畳する。
【０１１１】
ステップＳ３において、コントローラ５は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを例えば交流インピーダンス法によって算出し、その内部インピーダンスＺのインピーダンス実部Ｚｒを算出する。
【０１１２】
なお、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺの算出方法としては、交流インピーダンス法に限られるものではなく、また、内部インピーダンスＺの計測装置を別途に追加し、実際に計測することで算出しても良い。
【０１１３】
ステップＳ４において、コントローラ５は、インピーダンス実部Ｚｒが負の値か否かを判定する。コントローラ５は、インピーダンス実部Ｚｒが負の値であれば、アノードガス流路１２１の水素濃度が低い状態であると判定してステップＳ５の処理を行う。一方でコントローラ５は、インピーダンス実部Ｚｒが負の値でなければ、アノードガス流路１２１の水素濃度が高い状態であると判定してステップＳ６の処理を行う。
【０１１４】
ステップＳ５において、コントローラ５は、アノードガス流路１２１の水素濃度が低い状態（水素濃度不足の状態）であるとして、低水素濃度時用のガス供給制御を行う。具体的には、水素フロント劣化を抑制するために、アノードガス流路１２１全体を素早くアノードガス（水素）で置換するために必要な所定流量のアノードガスを供給する。また、アノードガスの供給流量に応じて、排出ガスの水素濃度を所定濃度まで希釈するために必要なカソードガスを供給する。
【０１１５】
ステップＳ６において、コントローラ５は、アノードガス流路１２１の水素濃度が高い状態であるとして、高水素濃度時用のガス供給制御を行う。高水素濃度時は、低水素濃度時よりもアノードガス流路１２１全体を水素で置換するために必要なアノードガス流量は少なくなる。したがって、本実施形態では、アノードガス流路１２１の水素濃度が高い状態であると判定されたときは、低水素濃度時よりも低い所定流量のアノードガスを供給する。また、アノードガスの供給流量に応じて、排出ガスの水素濃度を所定濃度まで希釈するために必要なカソードガスを供給する。このため、カソードガスの供給流量も低水素濃度時よりも少なくできる。
【０１１６】
ステップＳ７において、コントローラ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６を制御して、高周波数（本実施形態では１［ｋＨｚ］）の交流電圧を燃料電池スタック１の出力電圧に重畳し、そのときの燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを算出する。高周波の交流電圧を重畳したときに算出した内部インピーダンスＺは、電解質膜抵抗Ｒｓｏｌと近似できる。そのため、内部インピーダンスＺに基づいて電解質膜１１１の湿潤度（含水率）を推定することができる。
【０１１７】
したがって本実施形態では、通常運転時は、推定した電解質膜１１１の湿潤度（含水率）が適切な湿潤度となるように、カソードコンプレッサ２５の回転速度やカソード調圧弁２８の開度、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の流量を制御する冷却水ポンプ（図示せず）の回転速度をフィードバック制御している。
【０１１８】
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、アノード電極１１２の触媒担持量がカソード電極１１３の触媒担持量よりも少ない燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に交流電圧を重畳するＤＣ／ＤＣコンバータ４６と、を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって低周波交流電圧を重畳したときに算出した燃料電池スタック１のインピーダンス実部Ｚｒに基づいて、燃料電池スタック１内のアノードガス流路１２１の水素濃度を推定する。
【０１１９】
このように本実施形態では、アノード電極１１２のほうがカソード電極１１３よりも電極上での電気化学反応が起こりやすいため、アノード電極１１２の触媒担持量をカソード電極１１３の触媒担持量よりも少なくしている。そのため、カソード電極１１３中には十分な白金触媒が存在しているので、カソード電極１１３中の白金触媒が酸化しても、カソード電極１１３の反応抵抗の増加は微小である。
【０１２０】
一方で、空気の混入によってアノードガス流路１２１内の水素濃度が低下してアノード電極１１２の電位が高くなることにより、アノード電極１１２中の白金触媒の酸化が促進されて触媒の機能が低下したときは、もともとのアノード電極１１２中の白金触媒の担持量が少ないために、アノード電極１１２の反応抵抗の増加が顕著に表れる。
【０１２１】
そのため、アノード電極１１２の触媒担持量がカソード電極１１３の触媒担持量よりも少ない燃料電池スタック１では、アノードガス流路１２１の水素濃度が低下している場合に燃料電池スタック１に低周波交流電圧を重畳すると、重畳分の電圧増によってアノード電極の電位がさらに高くなってアノード電極１１２中の白金触媒の酸化が一層促進され、アノード電極１１２の反応抵抗が顕著に増加する。
【０１２２】
このとき、通常であれば交流電圧を重畳したことによる電圧増によって燃料電池スタック１を流れる電流も増加し、燃料電池スタック１のインピーダンス実部Ｚｒは正の値を示す。しかしながら、アノードガス流路１２１の水素濃度が低下している場合は、交流電圧を重畳したことによってアノード電極１１２の反応抵抗が顕著に増加するので、電流が流れにくくなる。その結果、交流電圧の重畳による電圧増に反して燃料電池スタック１を流れる電流が減少するという現象が起きて、燃料電池スタック１のインピーダンス実部Ｚｒが負の値を示す。
【０１２３】
このように、燃料電池スタック１のインピーダンス実部Ｚｒは、アノードガス流路１２１の水素濃度に応じて直接的に変化する。したがって、本実施形態のように、アノード電極１１２中の白金触媒で酸化反応を起こすことができる所定周波数以下の低周波交流電圧を重畳したときに算出した燃料電池スタック１のインピーダンス実部Ｚｒに基づいて、燃料電池スタック１内のアノードガス流路１２１の水素濃度を推定することで、その推定精度を向上させることができる。
【０１２４】
また本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の起動時に燃料電池スタック１内のアノードガス流路１２１の水素濃度を推定し、アノードガス流路１２１の水素濃度が高いか低いか（水素濃度不足）を判定する。そしてこの判定後に、水素フロント劣化を抑制するために所定流量のアノードガスを燃料電池スタック１に供給するようにしている。
【０１２５】
そして本実施形態による燃料電池システム１００では、水素フロント劣化を抑制するために所定流量のアノードガスを燃料電池スタック１に供給する際に、アノードガス流路１２１の水素濃度が低いと判定されていたときは、高いと判定されたときよりも燃料電池スタック１に供給するアノードガスの流量を多くする。
【０１２６】
これにより、アノードガス流路１２１の水素濃度が低いと判定された場合は、水素フロント劣化を抑制するために十分なアノードガスを燃料電池スタック１に供給できる。
【０１２７】
一方で、アノードガス流路１２１の水素濃度が高いと判定された場合は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスの流量を減らすことができるので、燃費の悪化を防止できる。また、アノードガスの供給流量を減らすことで、排出ガスの水素濃度を所定濃度まで希釈するために必要なカソードガスの供給流量も減るので、カソードコンプレッサの消費電力を抑えることができ、燃費を向上させることができる。また、カソードコンプレッサの回転速度も抑えることができるので、音振性能も向上させることができる。
【０１２８】
また、本実施形態による本実施形態による燃料電池システム１００は、通常運転時は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって、電解質膜１１１の抵抗が計測可能な高周波交流電圧を燃料電池スタック１に重畳して、電解質膜１１１の湿潤度を推定している。そのため、追加装置なしで、電解質膜１１１の湿潤度の制御が可能である。
【０１２９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、２つの異なる周波数の交流電圧を重畳したときに算出した各インピーダンス実部Ｚｒの値に基づいて、アノードガス流路１２１の水素濃度が低い状態か否かを判定する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【０１３０】
図８は、重畳する交流電圧の周波数を数ヘルツから減少させていったときの内部インピーダンスＺを複素平面にプロットしたナイキスト線図である。
【０１３１】
前述した第１実施形態では、アノードガス流路１２１の水素濃度が低いときは、ある周波数（本実施形態では約０．３５［Ｈｚ］）以下の周波数の交流電圧を重畳したときに算出される燃料電池スタックのインピーダンス実部Ｚｒが負の値を示すことを利用して、アノードガス流路１２１の水素濃度が低い状態か否かを判定していた。
【０１３２】
具体的には、アノードガス流路１２１の水素濃度が低ければ確実に燃料電池スタックのインピーダンス実部Ｚｒが負の値を示すと考えられる周波数（本実施形態では約０．１［Ｈｚ］）の交流電圧を重畳していた。
【０１３３】
しかしながら、重畳する交流電圧の周波数が低くなるほど、一周期が長くなるので、判定に要する時間も長くなる。
【０１３４】
そこで本実施形態では、インピーダンス実部Ｚｒがちょうど負の値になり始める周波数（本実施形態では約０．４［Ｈｚ］）の交流電圧と、それより大きい数ヘルツ程度の周波数（本実施形態では１．０［Ｈｚ］）の交流電圧と、を重畳したときに算出した各インピーダンス実部Ｚｒの値に基づいて、アノードガス流路１２１の水素濃度が低い状態か否かを判定する。
【０１３５】
具体的には、図８に示すように、アノードガス流路１２１の水素濃度が低ければ、重畳する交流電圧の周波数を低くするほど、インピーダンス実部Ｚｒの値は小さくなっていく。そのため、計測した２つのインピーダンス実部Ｚｒのうち、高周波側のインピーダンス実部Ｚｒの値よりも低周波側のインピーダンス実部Ｚｒの値の方が小さければ、アノードガス流路１２１の水素濃度が低い状態であると判定する。
【０１３６】
図９は、本実施形態による水素フロント劣化抑制制御について説明するフローチャートである。コントローラ５は、このルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。
【０１３７】
ステップＳ２１において、コントローラ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６を制御して、所定周波数（本実施形態では０．４［Ｈｚ］）の交流電圧を燃料電池スタック１の出力電圧に重畳する。
【０１３８】
ステップＳ２２において、コントローラ５は、所定周波数の交流電圧を重畳したときの燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを算出し、その内部インピーダンスＺのインピーダンス実部Ｚｒを算出する。以下では、このステップＳ２２で算出したインピーダンス実部Ｚｒを、「低周波側インピーダンス実部Ｚｒ」という。
【０１３９】
ステップＳ２３において、コントローラ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６を制御して、所定周波数よりも大きい周波数（本実施形態では１．０［Ｈｚ］）の交流電圧を燃料電池スタック１の出力電圧に重畳する。
【０１４０】
ステップＳ２４において、コントローラ５は、所定周波数よりも大きい周波数（本実施形態では１．０［Ｈｚ］）の交流電圧を重畳したときの燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを算出し、その内部インピーダンスＺのインピーダンス実部Ｚｒを算出する。以下では、このステップＳ２４で算出したインピーダンス実部Ｚｒを、「高周波側インピーダンス実部Ｚｒ」という。
【０１４１】
ステップＳ２５において、コントローラ５は、高周波側インピーダンス実部Ｚｒから低周波側インピーダンス実部Ｚｒを引いた差分ΔＺｒを算出する。
【０１４２】
ステップＳ２６において、コントローラ５は、差分ΔＺｒが０より大きいか否かを判定する。コントローラ５は、差分ΔＺｒが０より大きければ、アノードガス流路１２１の水素濃度が低い状態であると判定してステップＳ５の処理を行う。一方でコントローラ５は、差分ΔＺｒが０以下であれば、アノードガス流路１２１の水素濃度が高い状態であると判定してステップＳ６の処理を行う。
【０１４３】
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、異なる２つの周波数の交流電圧を重畳し、低周波数側の交流電圧を重畳した場合のインピーダンス実部Ｚｒの値と、高周波数側の交流電圧を重畳した場合のインピーダンス実部Ｚｒの値とに基づいて、前記燃料電池内のアノード側の水素濃度を推定する。そして、低周波数側の交流電圧を重畳した場合のインピーダンス実部Ｚｒの値が、高周波数側の交流電圧を重畳した場合のインピーダンス実部Ｚｒの値よりも小さいときに、アノードガス流路１２１の水素濃度が低いと判定する。
【０１４４】
このように、アノードガス流路１２１の水素濃度が低下している場合において、重畳する交流電圧の周波数が低いほうが、重畳分の電圧増によってアノード電極１１２が高電位にさらされる時間が長くなるので、アノード電極１１２中の白金触媒の酸化が促進されやすく、アノード電極１１２の反応抵抗が顕著に増加する。そのため、重畳する交流電圧の周波数が低いときのほうが、インピーダンス実部Ｚｒの値は小さくなる。
【０１４５】
したがって、本実施形態のように、異なる２つの周波数の交流電圧を重畳したときに計測した各インピーダンス実部Ｚｒの値を比較することでも、第１実施形態と同様に精度良く燃料電池スタック１内のアノードガス流路１２１の水素濃度を推定することができる。
【０１４６】
また本実施形態では、低周波数側の交流電圧の周波数を、ちょうどインピーダンス実部Ｚｒが負の値になり始める所定周波数（本実施形態では０．４［Ｈｚ］）に設定し、高周波側の交流電圧の周波数をそれよりも大きい周波数（本実施形態では１．０［Ｈｚ］）に設定した。
【０１４７】
これにより、第１実施形態よりも高い周波数の交流電圧を重畳してアノードガス流路１２１の水素濃度が低下しているか否かを判定することができるので、判定に要する時間を短くすることができる。
【０１４８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、インピーダンス実部Ｚｒの値に基づいて、水素フロント劣化抑制制御時におけるアノードガス供給流量を制御する点で第２実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１４９】
図１０は、重畳する交流電圧の周波数を数ヘルツから減少させていったときの内部インピーダンスＺを複素平面にプロットしたナイキスト線図である。図１０において、実線はアノードガス流路１２１の水素濃度が低いときのナイキスト線図であり、破線はアノードガス流路１２１の水素濃度が高いときのナイキスト線図である。
【０１５０】
図１０に示すように、同じ低周波数の交流電圧を重畳した場合でも、アノードガス流路１２１の水素濃度に応じて、インピーダンス実部Ｚｒの値は変化する。具体的には、アノードガス流路１２１の水素濃度が低いときほどインピーダンス実部Ｚｒの値は小さくなる。
【０１５１】
そこで本実施形態では、予め実験等によって、ある低周波数の交流電圧を重畳したときのインピーダンス実部Ｚｒの値を、アノードガス流路１２１の水素濃度ごとに検出しておく。そして、この実験結果に基づいて、インピーダンス実部Ｚｒの値からアノードガス流路１２１の水素濃度を算出するテーブル（図１３参照）を作成する。そして、このテーブルに基づいて算出したアノードガス流路１２１の水素濃度が低いときほど、水素フロント劣化抑制制御時のアノードガス供給流量を多くする。
【０１５２】
図１１は、本実施形態による水素フロント劣化抑制制御について説明するフローチャートである。コントローラ５は、このルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。
【０１５３】
ステップＳ３１において、コントローラ５は、アノードガス流路１２１の水素濃度が低い状態（水素濃度不足の状態）であるとして、低水素濃度時用のガス供給処理を行う。低水素濃度時用のガス供給処理の詳細については、図１２を参照して説明する。
【０１５４】
図１２は、低水素濃度時用のガス供給処理について説明するフローチャートである。
【０１５５】
ステップＳ３１１において、コントローラ５は、図１３のテーブルを参照し、低周波側インピーダンス実部Ｚｒに基づいて、アノードガス流路１２１の水素濃度を算出する。
【０１５６】
ステップＳ３１２において、コントローラ５は、図１４のテーブルを参照し、アノードガス流路１２１の水素濃度に基づいて、水素フロント劣化を抑制するために必要なアノードガス供給流量を算出する。図１４に示すように、アノードガス流路１２１の水素濃度が低いとき、すなわち同じ周波数の交流電圧を重畳したときのインピーダンス実部Ｚｒの値が小さいときほど、水素フロント劣化を抑制するために必要なアノードガス供給流量を大きくする。
【０１５７】
ステップＳ３１３において、コントローラ５は、ステップＳ３１２で算出した流量のアノードガスを供給すると共に、アノードガスの供給流量に応じて、排出ガスの水素濃度を所定濃度まで希釈するために必要なカソードガスを供給する。
【０１５８】
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、アノードガス流路１２１の水素濃度が低いと判定されたときは、インピーダンス実部Ｚｒの値が小さいときほど、水素フロント劣化抑制制御に燃料電池スタック１に供給するアノードガスの流量を多くする。
【０１５９】
これにより、アノードガス流路１２１の水素濃度に応じて、水素フロント劣化抑制制御に燃料電池スタック１に供給するアノードガスの流量を調節することができるので、水素フロント劣化を抑制するために余分にアノードガスを供給しなくて済む。そのため、燃費の悪化を防止できる。また、余分にアノードガスを供給しなくて済むので、カソードガスの供給流量も抑えることができる。よって、カソードコンプレッサの消費電力を抑えることができ、燃費を向上させることができる。また、カソードコンプレッサの回転速度も抑えることができるので、音振性能も向上させることができる。
【０１６０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１６１】
例えば、上記の第１実施形態においても、第３実施形態のようにインピーダンス実部Ｚｒの値が小さいときほど、水素フロント劣化抑制制御に燃料電池スタック１に供給するアノードガスの流量を多くしても良い。
【符号の説明】
【０１６２】
１    燃料電池スタック（燃料電池）
５    コントローラ（推定手段、判定手段、起動時ガス供給手段）
４６    ＤＣ／ＤＣコンバータ（交流電圧重畳部）
１００    燃料電池システム
１１２    アノード電極
１１３    カソード電極
【図１】
2015069909.tif 000011
【図２】
2015069909.tif 000012
【図３】
2015069909.tif 000013
【図４】
2015069909.tif 000014
【図５】
2015069909.tif 000015
【図６】
2015069909.tif 000016
【図７】
2015069909.tif 000017
【図８】
2015069909.tif 000018
【図９】
2015069909.tif 000019
【図１０】
2015069909.tif 000020
【図１１】
2015069909.tif 000021
【図１２】
2015069909.tif 000022
【図１３】
2015069909.tif 000023
【図１４】
2015069909.tif 000024