(57)【要約】【課題】より高精度に触媒被毒の検出し得る燃料電池の触媒劣化判定方法及び触媒劣化判定装置を提供すること。【解決手段】燃料電池の触媒層に係る触媒劣化前における、燃料電池の電流密度が所定値以下である場合の電圧と、燃料電池の湿潤状態と、の関係である劣化前電圧−湿潤状態関係を取得し、燃料電池の現在における、燃料電池の電流密度が所定値以下である場合の電圧と、燃料電池の湿潤状態と、の関係である現在電圧−湿潤状態関係を取得し、劣化前電圧−湿潤状態関係と現在電圧−湿潤状態関係との比較の結果に基づいて、触媒が触媒劣化しているか否かを判定する触媒劣化判定方法。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜及び前記電解質膜の両面に電気化学反応を促進する触媒層を含む電極からなる膜電極接合体を含む燃料電池において、前記触媒層における触媒劣化を検出する燃料電池の触媒劣化判定方法であって、
前記触媒劣化前における、前記燃料電池の電流密度が所定値以下である場合の電圧と、前記燃料電池の湿潤状態と、の関係である劣化前電圧−湿潤状態関係を取得し、
前記燃料電池の現在における、前記燃料電池の電流密度が所定値以下である場合の電圧と、前記燃料電池の湿潤状態と、の関係である現在電圧−湿潤状態関係を取得し、
前記劣化前電圧−湿潤状態関係と前記現在電圧−湿潤状態関係との比較の結果に基づいて、前記触媒が触媒劣化しているか否かを判定する燃料電池の触媒劣化判定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の触媒劣化判定方法であって、
前記触媒劣化前における前記燃料電池の電圧を基準電圧として取得し、
前記触媒が触媒劣化しているか否かの判定では、前記燃料電池の現在の電圧と前記基準電圧の差である乖離電圧を算出し、前記乖離電圧が所定値より大きくなると、前記触媒劣化が生じていると判定する触媒劣化判定方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の触媒劣化判定方法であって、
前記触媒劣化が生じていると判定されると、前記触媒劣化を回復する触媒劣化回復操作を実行する触媒劣化判定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の触媒劣化判定方法であって、
前記触媒劣化回復操作を実行した後に、再度、前記触媒劣化が生じているか否かの判定を行い、
前記再度の判定によっても前記触媒劣化が生じていると判定されると、前記触媒劣化が不可逆触媒劣化であると判定する触媒劣化判定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の触媒劣化判定方法であって、
前記触媒劣化が不可逆触媒劣化であると判定されると、前記燃料電池の出力電力を決定するパラメータに前記不可逆触媒劣化の影響による補正を行う触媒劣化判定方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の触媒劣化判定方法であって、
前記燃料電池の内部インピーダンスを計測し、
前記内部インピーダンスに基づいて前記湿潤状態を推定する触媒劣化判定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の触媒劣化判定方法であって、
前記内部インピーダンスを、ＨＦＲ取得用の周波数帯の周波数を用いて計測する触媒劣化判定方法。
【請求項８】
請求項６に記載の触媒劣化判定方法であって、
前記内部インピーダンスから前記燃料電池の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗を算出し、
前記アイオノマ抵抗に基づいて前記湿潤状態を求める触媒劣化判定方法。
【請求項９】
請求項６に記載の触媒劣化判定方法であって、
前記内部インピーダンスから前記燃料電池の電気二重層容量値を算出し、
前記電気二重層容量値に基づいて前記湿潤状態を求める触媒劣化判定方法。
【請求項１０】
請求項６〜請求項９の何れか１項に記載の燃料電池の触媒劣化判定方法において、
前記燃料電池が積層電池として構成され、
前記積層電池に交流電流を出力し、
前記積層電池の正極側の電位から該積層電池の中途部分の電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差と、前記積層電池の負極側の電位から前記中途部分の電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差と、に基づいて前記交流電流を調整し、
前記調整された前記交流電流、前記正極側交流電位差、及び前記負極側交流電位差に基づいて前記積層電池の前記内部インピーダンスを演算する燃料電池の触媒劣化判定方法。
【請求項１１】
電解質膜及び前記電解質膜の両面に電気化学反応を促進する触媒層を含む電極からなる膜電極接合体を含む燃料電池において、前記触媒層における触媒劣化を検出する燃料電池の触媒劣化判定装置であって、
前記触媒劣化前における、前記燃料電池の電流密度が所定値以下である場合の電圧と、前記燃料電池の湿潤状態と、の関係である劣化前電圧−湿潤状態関係を取得する劣化前電圧−湿潤状態関係取得装置と、
前記燃料電池の現在における、前記燃料電池の電流密度が所定値以下である場合の電圧と、前記燃料電池の湿潤状態と、の関係である現在電圧−湿潤状態関係を取得する現在電圧−湿潤状態関係取得装置と、
前記劣化前電圧−湿潤状態関係と現在電圧−湿潤状態関係との比較の結果に基づいて、前記触媒劣化が生じているか否かを判定する判定装置と、
を有する燃料電池の触媒劣化判定装置。
【請求項１２】
燃料電池の電解質膜に配置された触媒層の劣化を検出する燃料電池の触媒劣化判定装置であって、
前記燃料電池の電流密度を検出する電流密度検出装置と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出装置と、
前記燃料電池の湿潤状態を検出する湿潤状態検出装置と、
前記燃料電池の電流密度が所定値以下である触媒劣化前の湿潤状態と、前記燃料電池の所定の基準電圧からの乖離電圧として許容される許容乖離電圧との関係を記憶する記憶装置と、
前記燃料電池の電流密度が前記所定値以下であるか否かを判定する電流密度判定装置と、
前記電流密度判定装置により前記燃料電池の電流密度が前記所定値以下であると判定された際の前記乖離電圧が、前記記憶装置に記憶された許容乖離電圧より大きいことを検出すると、前記触媒層が劣化していると判定する劣化判定装置と、
を有することを特徴とする燃料電池の触媒劣化判定装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池の触媒劣化判定装置であって、
前記湿潤状態検出装置は、前記燃料電池の内部インピーダンスに基づいて前記湿潤状態を推定する触媒劣化判定装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池の触媒劣化判定装置であって、
前記湿潤状態検出装置は、前記燃料電池の内部インピーダンスとしてのＨＦＲ値に基づいて前記湿潤状態を推定する燃料電池の触媒劣化判定装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の燃料電池の触媒劣化判定装置であって、
前記湿潤状態検出装置は、前記内部インピーダンスから前記燃料電池の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗を算出し、
前記アイオノマ抵抗に基づいて前記湿潤状態を求める触媒劣化判定装置。
【請求項１６】
請求項１２〜請求項１５の何れか１項に記載の燃料電池の触媒劣化判定装置であって、
前記電流密度判定装置は、前記燃料電池の電流密度が、前記燃料電池の湿潤状態以外の要因による前記燃料電池の電圧のばらつきを回避する観点から定められた前記所定値以下であるか否かを判定する燃料電池の触媒劣化判定装置。
【請求項１７】
請求項１２〜請求項１６の何れか１項に記載の燃料電池の触媒劣化判定装置であって、
前記記憶装置は、前記燃料電池の電流密度が所定値以下である触媒劣化前の理論乖離電圧を記憶し、
前記劣化判定装置は、前記燃料電池の電流密度が前記所定値以下であると判定された際の前記乖離電圧と、前記記憶装置に記憶された前記理論乖離電圧と、の差である乖離電圧差を算出し、前記乖離電圧差が、所定の許容乖離電圧差よりも大きいと前記触媒層が劣化していると判定する燃料電池の触媒劣化判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の触媒劣化判定方法及び触媒劣化判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の両面に配置された電極に、燃料電池反応を促進するための白金（Ｐｔ）などの触媒が配置されて構成されている。燃料電池では、触媒の表面に触媒毒が吸着されて、触媒活性が低下してしまう触媒被毒が発生することで触媒劣化が生じる場合がある。触媒被毒による触媒劣化は、燃料電池の発電性能を低下させる原因となる。一般に、触媒被毒による燃料電池の発電性能の低下は、触媒に吸着している触媒毒を除去することによって回復が可能である。したがって、燃料電池の発電性能の維持を図るために、触媒被毒を高精度に検出して、適宜回復操作を実行することが重要である。
【０００３】
特許文献１には、燃料電池の発電特性における所定の電流範囲において、電流の増大量に対する電圧の低下量を求め、この値が所定の閾値よりも大きいときに、触媒劣化であると判定する燃料電池システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２０６６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電流の増大量に対する電圧の低下量は、例えば燃料ガスの供給圧力や流量が変化する等の燃料電池車両の運転状態の変化によっても変動し得るので、特許文献１の方法では触媒劣化を高精度に判定することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より高精度に触媒劣化を判定し得る燃料電池の触媒劣化判定方法及び触媒劣化判定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様によれば、電解質膜及び電解質膜の両面に電気化学反応を促進する触媒層を含む電極からなる膜電極接合体を含む燃料電池において、触媒層における触媒劣化を検出する燃料電池の触媒劣化判定方法が提供される。この触媒劣化判定方法では、触媒劣化前における燃料電池の電流密度が所定値以下である場合の電圧と、燃料電池の湿潤状態と、の関係である劣化前電圧−湿潤状態関係を取得する。そして、燃料電池の現在における、燃料電池の電流密度が所定値以下である場合の電圧と、燃料電池の湿潤状態と、の関係である現在電圧−湿潤状態関係を取得する。さらに、劣化前電圧−湿潤状態関係と現在電圧−湿潤状態関係との比較の結果に基づいて、触媒が触媒劣化しているか否かを判定する。
【０００８】
また、本発明のある態様によれば、電解質膜及び前記電解質膜の両面に電気化学反応を促進する触媒層を含む電極からなる膜電極接合体を含む燃料電池において、触媒層における触媒劣化を検出する燃料電池の触媒劣化判定装置が提供される。この触媒劣化判定装置は、触媒劣化前における、燃料電池の電流密度が所定値以下である場合の電圧と、燃料電池の湿潤状態と、の関係である劣化前電圧−湿潤状態関係を取得する劣化前電圧−湿潤状態関係取得装置と、燃料電池の現在における、燃料電池の電流密度が所定値以下である場合の電圧と、燃料電池の湿潤状態と、の関係である現在電圧−湿潤状態関係を取得する現在電圧−湿潤状態関係取得装置と、劣化前電圧−湿潤状態関係と現在電圧−湿潤状態関係との比較の結果に基づいて、触媒劣化が生じているか否かを判定する判定装置と、を有する。
【０００９】
さらに、本発明のある態様によれば、燃料電池の電解質膜に配置された触媒層の劣化を検出する燃料電池の触媒劣化判定装置が提供される。この触媒劣化判定装置は、燃料電池の電流密度を検出する電流密度検出装置と、燃料電池の電圧を検出する電圧検出装置と、燃料電池の湿潤状態を検出する湿潤状態検出装置と、燃料電池の電流密度が所定値以下である触媒劣化前の湿潤状態と、燃料電池の所定の基準電圧からの乖離電圧として許容される許容乖離電圧との関係を記憶する記憶装置と、燃料電池の電流密度が所定値以下であるか否かを判定する電流密度判定装置と、電流密度判定装置により燃料電池の電流密度が所定値以下であると判定された際の乖離電圧が、記憶装置に記憶された許容乖離電圧より大きいことを検出すると、触媒層が劣化していると判定する劣化判定装置と、を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池の電流密度が所定値以下である場合におけるセル電圧と燃料電池の湿潤状態との間の関係に基づいて、触媒劣化をより高精度に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による燃料電池の構成を説明する図である。
【図２】図２は、一実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図３】図３は、ＨＦＲ値と湿潤度の関係を示すマップである。
【図４】図４は、触媒劣化判定方法の流れを説明するフローチャートである。
【図５】図５は、乖離電圧を算出する流れを示すフローチャートである。
【図６】図６は、ＨＦＲ値とＩＶ特性の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、ＨＦＲ値、理論的な剥離電圧、及び実際の乖離電圧の関係を説明するグラフである。
【図８】図８は、回復処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】図９は、セル電圧ごとの回復操作に必要な時間と回復率との関係を示すグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、不可逆触媒劣化前後の燃料電池セルのＩＶ特性を示すグラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、不可逆触媒劣化前後の燃料電池セルにおける要求出力電力と必要な出力電流との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、一実施形態による燃料電池スタックの内部インピーダンスのナイキスト線図である。
【図１２】図１２は、燃料電池スタックの等価回路の一例を示す。
【図１３】図１３は、アイオノマ抵抗値−湿潤度マップを示す。
【図１４】図１４は、一実施形態による燃料電池スタックの電気二重層容量値を算出する流れを示すフローチャートである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、燃料電池スタックの等価回路の一例を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、燃料電池スタックの等価回路の一例を示す図である。
【図１６】図１６は、湿潤度と電気二重層容量値の関係を表すマップを示す。
【図１７】図１７は、一実施形態によるインピーダンス計測装置の構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
燃料電池セルは、燃料極としてのアノード極と酸化剤極としてのカソード極とによって電解質膜を挟んで構成されている。燃料電池セルでは、水素を含有するアノードガスがアノード極に供給される一方で、酸素を含有するカソードガスがカソード極に供給されて、これらガスを用いることで発電が行われる。アノード極及びカソード極の両電極において発電時に進行する主な電極反応は、以下の通りである。
【００１４】
アノード極：２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-          （１）
カソード極：４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ    （２）
これら（１）及び（２）の電極反応によって、燃料電池セルは１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池セル１０の断面図である。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１を挟むように配置されるアノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３と、を備える。
【００１７】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード極１１２と、カソード極１１３とから構成されている。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面側にアノード極１１２を有しており、他方の面側にカソード極１１３を有している。
【００１８】
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。
【００１９】
アノード極１１２は、触媒層１１２Ａとガス拡散層１１２Ｂとを備える。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により形成された部材であって、電解質膜１１１と接するように設けられる。ガス拡散層１１２Ｂは、触媒層１１２Ａの外側に配置される。ガス拡散層１１２Ｂは、ガス拡散性及び導電性を有するカーボンクロスで形成された部材であって、触媒層１１２Ａ及びアノードセパレータ１２と接するように設けられる。
【００２０】
アノード極１１２と同様に、カソード極１１３も触媒層１１３Ａとガス拡散層１１３Ｂとを備える。触媒層１１３Ａは電解質膜１１１とガス拡散層１１３Ｂとの間に配置され、ガス拡散層１１３Ｂは触媒層１１３Ａとカソードセパレータ１３との間に配置される。なお、本実施形態における「触媒被毒」とは、アノード極１１２の触媒層１１２Ａやカソード極１１３の触媒層１１３Ａにおいて、これらの表面に触媒作用を低下させる硫黄酸化物等の触媒毒が吸着されることを言う。
【００２１】
アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２Ｂの外側に配置される。アノードセパレータ１２は、アノード極１１２にアノードガス（水素ガス）を供給するための複数のアノードガス流路１２１を備えている。アノードガス流路１２１は、溝状通路として形成されている。
【００２２】
カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３Ｂの外側に配置される。カソードセパレータ１３は、カソード極１１３にカソードガス（空気）を供給するための複数のカソードガス流路１３１を備えている。カソードガス流路１３１は、溝状通路として形成されている。
【００２３】
アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、アノードガス流路１２１を流れるアノードガスの流れ方向とカソードガス流路１３１を流れるカソードガスの流れ方向とが互いに逆向きとなるように構成されている。なお、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、これらガスの流れ方向が同じ向きに流れるように構成されてもよい。
【００２４】
このような燃料電池セル１０を自動車用電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、数百枚の燃料電池セル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、車両を駆動させるための電力を取り出す。
【００２５】
図２は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
【００２６】
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、電力システム４と、インピーダンス計測装置５と、コントローラ６と、を備える。
【００２７】
燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す出力端子として、アノード極側端子１Ａと、カソード極側端子１Ｂと、を有している。
【００２８】
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、水分回収装置（ＷＲＤ；Water Recovery Device）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部に排出する。
【００２９】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給され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の一端はフィルタ２３に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口に接続される。
【００３０】
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の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口部に接続され、他端は開口端として形成される。カソードオフガスは、カソードガスや電極反応によって生じた水蒸気等を含む混合ガスである。
【００３１】
フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込まれるカソードガスに含まれる塵や埃等を除去する部材である。
【００３２】
エアフローセンサ２４は、フィルタ２３とカソードコンプレッサ２５との間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、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。なお、カソードガス供給通路２１には、圧力センサ等の図示しない他のセンサ類が設けられても良い。
【００３３】
カソードコンプレッサ２５は、エアフローセンサ２４よりも下流側の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、カソードガス供給通路２１内のカソードガスを圧送して燃料電池スタック１に供給する。
【００３４】
ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１とカソードガス排出通路２２とに跨って接続される。ＷＲＤ２７は、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、その回収した水分を用いて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。
【００３５】
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６によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を調整する。
【００３６】
次に、アノードガス給排装置３について説明する。
【００３７】
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して循環させつつ、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、エゼクタ３４と、アノードガス循環流路３５と、パージ通路３６と、水素循環ポンプ３７と、パージ弁３８と、を備える。
【００３８】
高圧タンク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容器である。
【００３９】
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給する通路である。アノードガス供給通路３２の一端は高圧タンク３１に接続され、他端はエゼクタ３４に接続される。なお、アノードガス供給通路３２には、例えばアノードガスの圧力を検出するアノード圧力センサ等の計測装置を設けられていても良い。
【００４０】
アノード調圧弁３３は、高圧タンク３１よりも下流の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６によって開閉制御され、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調整する。
【００４１】
エゼクタ３４は、アノードガス供給通路３２とアノードガス循環流路３５の連結部に設けられる。エゼクタ３４は、高圧タンク３１からのアノードガス、及び燃料電池スタック１のアノード極１１２から排出されるアノードガスをアノードガス循環流路３５で再循環させる。
【００４２】
アノードガス循環流路３５は、燃料電池スタック１のアノード極入口とアノード極出口の間でアノードガスを循環させる通路である。
【００４３】
パージ通路３６は、アノードガス循環流路３５からアノードオフガスを排出する通路である。パージ通路３６の一端はアノードガス循環流路３５に接続され、他端はカソードガス排出通路２２に接続されている。なお、パージ通路３６とアノードガス循環流路３５の接続部にアノードオフガス等を一時的に貯留するバッファタンクを設けても良い。
【００４４】
水素循環ポンプ３７は、アノードガス循環流路３５内でアノードガスを循環させる動力源として機能する。
【００４５】
パージ弁３８は、パージ通路３６に設けられる。パージ弁３８は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス循環流路３５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パージ流量を制御する。
【００４６】
パージ弁３８が開弁状態となるパージ制御が実行されると、アノードオフガスは、パージ通路３６及びカソードガス排出通路２２を通じて外部に排出される。この時、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る。このようにアノードオフガスとカソードオフガスとを混合させて外部に排出することで、混合ガス中の水素濃度が排出許容濃度以下の値に設定される。
【００４７】
電力システム４は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、走行モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、補機類５７と、を備える。
【００４８】
電流センサ５１は、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セル１０の電流密度を検出する。本実施形態では、燃料電池セル１０ごとに検出される電流密度の平均値を「セル電流密度Ｉｃｅｌｌ」とする。なお、平均値ではなく、中央値や任意の代表値を「セル電流密度Ｉｃｅｌｌ」としても良い。また、電流センサ５１は、この「セル電流密度Ｉｃｅｌｌ」に基づき、燃料電池スタック１の出力電流を算出する。
【００４９】
電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の出力電圧、つまりアノード極側端子１Ａとカソード極側端子１Ｂの間の端子間電圧を検出する。特に、電圧センサ５２は、各燃料電池セル１０の電圧を検出するように構成されている。本実施形態では、燃料電池セル１０ごとに検出される電圧の平均値を「セル電圧Ｖｃｅｌｌ」とする。なお、平均値ではなく、中央値や任意の代表値を「セル電圧Ｖｃｅｌｌ」としても良い。また、燃料電池セル１０ごとの電圧の検出値の総和が、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖｓｔとなる。
【００５０】
走行モータ５３は、三相交流同期モータであって、車輪を駆動するため駆動源である。走行モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５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、外力によって回転駆動されることで発電する発電機としての機能と、を有する。
【００５１】
インバータ５４は、ＩＧＢＴ等の複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によってスイッチング制御され、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。走行モータ５３を電動機として機能させる場合、インバータ５４は、燃料電池スタック１の出力電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換し、走行モータ５３に供給する。これに対して、走行モータ５３を発電機として機能させる場合、インバータ５４は、走行モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換し、バッテリ５５に供給する。
【００５２】
バッテリ５５は、燃料電池スタック１の出力電力の余剰分及び走行モータ５３の回生電力が充電されるように構成されている。バッテリ５５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等の補機類や走行モータ５３に供給される。
【００５３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５６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５６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の出力電流等が調整される。
【００５４】
補機類５７は、カソードコンプレッサ２５、カソード調圧弁２８、アノード調圧弁３３、及びパージ弁３８等の燃料電池スタック１の発電電力やバッテリ５５の電力を消費する機器である。
【００５５】
インピーダンス計測装置５は、燃料電池スタック１の出力電圧及び出力電流に基づいて燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを計測する装置である。具体的に、インピーダンス計測装置５は、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧が所定周波数を有する交流信号を含むように燃料電池スタック１の出力を制御し、この時検出される出力電圧値及び出力電流値に基づいて内部インピーダンスＺを算出する。さらに、インピーダンス計測装置５は、計測した内部インピーダンスＺをコントローラ６に出力する。
【００５６】
コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６には、インピーダンス計測装置５、エアフローセンサ２４、電流センサ５１、及び電圧センサ５２等の各種センサからの信号の他、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ等のセンサからの信号が入力される。
【００５７】
さらに、コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、アノード調圧弁３３の開度、カソード調圧弁２８の開度、及びカソードコンプレッサ２５の出力等を制御し、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスやカソードガスの圧力や流量を調節する。
【００５８】
また、コントローラ６は、走行モータ５３の要求電力や補機類５７の要求電力、バッテリ５５の充放電要求等に基づいて、目標出力電力を算出する。さらに、コントローラ６は、燃料電池スタック１内の湿潤状態等に応じた電圧と電流の関係を規定するＩＶ特性を記憶しており、このＩＶ特性を参照して目標出力電力に基づき燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。そして、コントローラ６は、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５６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５３や補機類に必要な電流を供給する制御を行う。
【００５９】
さらに、本実施形態でコントローラ６は、触媒被毒が生じている場合に、燃料電池スタック１の出力電圧やカソードコンプレッサ２５の空気流量を調節することで触媒被毒からの回復操作を行う。
【００６０】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態について説明する。本実施形態に係る触媒劣化判定方法では、特に、あるセル電流密度Ｉｃｅｌｌ範囲において、セル電圧Ｖｃｅｌｌと、いわゆるＨＦＲ（High Frequency Resistance）値と、の間の相関関係に基づいて、触媒被毒等に起因する触媒劣化を判定する。特に、ＨＦＲ値は、燃料電池スタック１の湿潤状態を示す湿潤度ｗとの間に図３のマップに示す相関関係があることが知られている。具体的には、ＨＦＲ値が増加するほど、湿潤度ｗが低下する（燃料電池スタック１内の電解質膜１１１が乾燥する）関係にある。すなわち、本実施形態では、セル電圧ＶｃｅｌｌとＨＦＲ値の関係に基づいて触媒劣化を判定することで、実質的に、燃料電池スタック１の湿潤状態に応じて触媒劣化を判定することとなる。
【００６１】
図４は、本実施形態による触媒劣化判定方法の流れを説明するフローチャートである。なお、コントローラ６は、本フローチャートで示すルーチンを任意に定められた所定時間ごとに繰り返す。
【００６２】
ステップＳ１０において、コントローラ６は、電圧センサ５２により検出される現在のセル電圧Ｖｃｅｌｌ、及び現在の燃料電池スタック１の出力電圧Ｖｓｔ、及び電流センサ５１により検出される現在のセル電流密度Ｉｃｅｌｌを取得する。
【００６３】
ステップＳ２０において、コントローラ６は、エアフローセンサ２４で検出された空気流量を取得する。
【００６４】
ステップＳ３０において、コントローラ６は、燃料電池スタック１のＨＦＲ値を取得する。具体的には、インピーダンス計測装置５は、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧に数ｋＨｚ以上の十分に大きな周波数ωＨの交流信号を含むように、燃料電池スタック１の出力電流を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御し、検出される出力電流及び出力電圧に基づいて内部インピーダンスＺ（ωＨ）をＨＦＲ値として算出する。そして、コントローラ６は、このＨＦＲ値をインピーダンス計測装置５から受信する。
【００６５】
ステップＳ４０において、コントローラ６は、ステップＳ１０で取得したセル電流密度Ｉｃｅｌｌが所定値Ｉ０より大きいか否かを判定する。ここで、所定値Ｉ０は、本実施形態に係る触媒劣化判定方法を実行することが可能なセル電流密度Ｉｃｅｌｌの上限値として設定される値である。より詳細には、セル電流密度Ｉｃｅｌｌが所定値Ｉ０よりも大きくなると、燃料電池スタック１に相対的に高い負荷が生じている状態となり、セル電圧Ｖｃｅｌｌを変化させる要因が増える。これにより、意図しないセル電圧Ｖｃｅｌｌのばらつきが生じ、本実施形態において想定されるセル電圧ＶｃｅｌｌとＨＦＲ値の間の相関関係が得られにくくなる。したがって、上記所定値Ｉ０は、このような事態を防止する観点から定める。なお、所定値Ｉ０は、燃料電池セル１０の個体差など要因に応じても変わりうるので、特定の値に限定されるものではないが、一例として０．３Ａ／ｃｍ2程度に設定することができる。
【００６６】
したがって、コントローラ６は、セル電流密度Ｉｃｅｌｌが所定値Ｉ０より大きいと判定した場合には、触媒劣化の推定を行うことなく、本ルーチンを終了する。一方で、セル電流密度Ｉｃｅｌｌが所定値Ｉ０以下であると判定された場合には、ステップＳ５０に進む。
【００６７】
ステップＳ５０において、コントローラ６は、乖離電圧ｄＶを算出する。以下、この乖離電圧差ΔＶの算出について詳細を説明する。
【００６８】
図５は、乖離電圧ｄＶを算出する流れを示すフローチャートである。
【００６９】
ステップＳ５１において、コントローラ６は、燃料電池システム１００の初回起動時等の燃料電池スタック１の触媒劣化前における基準運転時のＩＶ曲線を読み出す。なお、このＩＶ曲線は、ある特定のＨＦＲ値を仮定した場合の曲線である。
【００７０】
ステップＳ５２において、コントローラ６は、ステップＳ５１で取得した基準運転時のＩＶ曲線に、ステップＳ１０において取得したセル電流密度Ｉｃｅｌｌを適用することで、基準電圧Ｖｓｔｄを求める。
【００７１】
さらに、ステップＳ５３において、コントローラ６は、ステップＳ５３で求めた基準電圧Ｖｓｔｄと上記ステップＳ１０で取得した現在のセル電圧Ｖｃｅｌｌとの差の絶対値を乖離電圧ｄＶとして算出する。
【００７２】
ここで、上記乖離電圧ｄＶを算出する意義について説明する。
【００７３】
図６は、ＨＦＲ値と燃料電池セル１０のＩＶ特性との関係を示すグラフである。なお、上記基準運転時のＩＶ曲線Ｃ１は、図６において破線で示している。また、図に実線で示すＩＶ曲線Ｃ２は、触媒劣化が生じていないと仮定した場合において、基準運転時からＨＦＲ値が増加した場合（燃料電池セル１０がより乾燥した場合）における燃料電池セル１０のＩＶ特性を示している。
【００７４】
図示のように、燃料電池スタック１のＩＶ特性は、燃料電池スタック１のＨＦＲ値の大小に応じて変化する。具体的に、ＨＦＲ値が増加するほど、燃料電池スタック１のＩＶ特性を示す曲線における同じセル電流密度に対するセル電圧の値が小さくなる傾向にある。
【００７５】
具体的に、セル電流密度Ｉｃｅｌｌを固定すると、基準運転時におけるＩＶ曲線Ｃ１のセル電圧は基準電圧Ｖｓｔｄをとり、ＨＦＲ増加後のＩＶ曲線Ｃ２のセル電圧は、基準電圧Ｖｓｔｄよりも小さいセル電圧Ｖｃｅｌｌ´を取っている。
【００７６】
そして、図６を参照すると、上記セル電圧Ｖｃｅｌｌ´と基準電圧Ｖｓｔｄの差として定義される理論的な乖離電圧ｄＶｔｈは、ＨＦＲ値が増加するにつれて大きくなることがわかる。
【００７７】
ここで、本発明者らは、特に所定値Ｉ０以下の電流密度領域においては、セル電圧の変動をもたらす要因であるガス圧力変化等の影響を無視でき、乖離電圧ｄＶが実質的にＨＦＲ値より強く相関することを見出している。したがって、燃料電池スタック１の現在の運転状態におけるセル電圧Ｖｃｅｌｌに基づいてＨＦＲ値ごとの乖離電圧ｄＶを算出すれば、当該算出された乖離電圧ｄＶを、理論的な乖離電圧ｄＶｔｈと対比することで、セル電圧の低下をもたらす触媒劣化を判定することができる。この点の詳細は後述する。したがって、コントローラ６は、上記乖離電圧ｄＶと併せて、上記理論的な乖離電圧ｄＶｔｈも算出しておく。
【００７８】
図４に戻り、ステップＳ６０において、コントローラ６は、所定時間前から現在までの間に回復処理が行われたかどうかを判定する。ここで、回復処理とは、触媒劣化により燃料電池スタック１の特性が低下した場合に、当該触媒劣化を回復して燃料電池スタック１の特性の回復を図る処理である。この回復処理については、後に詳細に説明する。なお、回復処理が行われたかどうかの判定は、後述する回復操作フラグの有無を確認することにより行われる。
【００７９】
上記回復処理が行われていないと判定されると、ステップＳ７０において、上記ステップＳ５４で算出した乖離電圧ｄＶと理論的な乖離電圧ｄＶｔｈとの差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜が、所定の許容値ΔＶ１よりも大きいか否かが判定される。この許容値ΔＶ１は、計測誤差や回復処理の頻度等の種々の要素を考慮して、触媒劣化が生じていないと判定するための閾値として、理論的な剥離電圧ｄＶｔｈからの実際の乖離電圧ｄＶのずれを加味した最大の値として設定される。この許容値ΔＶ１は、例えばコントローラ６の記憶装置に記憶されている。
【００８０】
ここで、乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜と許容値ΔＶ１を比較する意義について説明する。
【００８１】
図７は、ＨＦＲ値、理論的な剥離電圧ｄＶｔｈ、及び実際の乖離電圧ｄＶの関係を説明するグラフである。なお、図においては、曲線Ｃ３は、ＨＦＲ値と理論的な乖離電圧ｄＶｔｈとの関係を表しており、各プロットは、各ＨＦＲ値に応じた実際の乖離電圧ｄＶを表している。
【００８２】
図示のように、各プロットが表す実際の乖離電圧ｄＶは、基本的にはＨＦＲ値と理論的な乖離電圧ｄＶｔｈとの関係を表す曲線Ｃ３に沿っている。しかしながら、触媒劣化が生じると、燃料電池スタック１があるＨＦＲ値をとった場合に、乖離電圧ｄＶが曲線Ｃ３上の乖離電圧ｄＶｔｈから大きく外れる（図７のプロットＰを参照）。したがって、このときの理論的な乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜と、触媒劣化が生じているかどうかの指標として定めた許容値ΔＶ１とを比較することで、触媒劣化を高精度に検出することができる。
【００８３】
したがって、本実施形態では、乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜が許容値ΔＶ１以下である場合には、触媒劣化は生じていないと判定して本ルーチンを終了する。一方で、乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜が許容値ΔＶ１よりも大きい場合には、ステップＳ８０においてコントローラ６は、触媒劣化が生じていると判定する。
【００８４】
なお、乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜と許容値ΔＶ１の大小を比較して触媒劣化を判定することに代えて、乖離電圧ΔＶと、触媒劣化の観点から乖離電圧ΔＶの大きさとして許容される最大の値である許容乖離電圧ｄＶｔｈ＋ΔＶ１を、コントローラ６の記憶装置等に記憶させておき、乖離電圧ΔＶと許容乖離電圧ｄＶｔｈ＋ΔＶ１の大小を比較して触媒劣化判定を行うようにしても良い。
【００８５】
図４に戻り、ステップＳ８０において、触媒劣化が生じていると判定されると、ステップＳ９０の回復処理に進む。
【００８６】
図８は、本実施形態に係る回復処理の流れを示すフローチャートである。
【００８７】
ステップＳ９１において、コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖｓｔ、セル電流密度Ｉｃｅｌｌ、及び走行モータ５３による要求電力等の要素に基づいて、燃料電池システム１００が、アイドルストップが可能な状態であるかどうかを判定する。ここで、アイドルストップとは、燃料ガスを効率的に利用するために、例えば低負荷走行時等に、燃料電池スタック１による発電を停止するか又は発電量を大幅に低減してバッテリ５５を走行モータ５３の主駆動源とするか、又は減速時等で走行モータ５３を回生モードとする運転状態を意味する。
【００８８】
アイドルストップが可能ではないと判定されると、触媒劣化の回復操作が行われることなく、本処理を終了する。すなわち、この場合は、次回、燃料電池スタック１にアイドルストップが可能な状態となった際に回復操作が持ち越されることとなる。一方、アイドルストップが可能であると判定されると、ステップＳ９２に進む。
【００８９】
ステップＳ９２において、コントローラ６は、所定時間の間、燃料電池スタック１の高電位運転を行う。具体的に、コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖｓｔを上昇させるべく、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６により出力電流（セル電流密度Ｉｃｅｌｌ）を維持した状態で、カソードコンプレッサ２５の出力を向上させる等して供給空気流量を増加させ発電量を増加させる。
【００９０】
すなわち、このように発電量を増加させることによって、燃料電池スタック１内における電気化学反応（式（１）及び式（２））がより進行し、燃料電池スタック１内の生成水が増加することとなる。したがって、上記電気化学反応の進行に伴い触媒毒が酸化されるとともに、生成水の増加により触媒層１１２Ａ、１１３Ａにおける触媒表面に吸着された触媒毒が洗い流され、触媒被毒が解消される効果が得られる。
【００９１】
ここで、燃料電池スタック１の発電量、すなわち燃料電池スタック１の出力電圧Ｖｓｔを高くするほど、回復操作に必要な時間が減少することとなる。したがって、触媒劣化の回復操作を行う時間は、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖｓｔ（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）の高さに応じて決定される。
【００９２】
図９は、セル電圧Ｖｃｅｌｌの値ごとの回復操作に必要な時間と回復率との関係の一例を示したグラフである。なお、図９においては、セル電圧Ｖｃｅｌｌが０．９５Ｖ、０．９Ｖ、０．８５Ｖ、及び０．８Ｖであるときにおける回復操作に必要な時間と回復率との関係を、それぞれグラフＧ１、グラフＧ２、グラフＧ３、及びグラフＧ４として表している。図９から明らかなように、設定されるセル電圧Ｖｃｅｌｌが高いほど、所望の回復率に至るまでの回復操作時間が短くなることがわかる。
【００９３】
したがって、セル電圧Ｖｃｅｌｌは、燃料電池スタック１の構成部品が許容できる限り高く設定することが好ましい。また、このセル電圧Ｖｃｅｌｌの増加に応じて、燃料電池スタック１への供給空気流量をカソードコンプレッサ２５の出力を向上させるなどして適宜、調節する。
【００９４】
なお、燃料電池スタック１内の生成水を増加させる方法は、上述した供給空気流量を増加させることに限られず、例えば、燃料電池スタック１内の温度を減少させること、アノードガス循環流路３５内の水素濃度を上昇させること、又はガス圧力を上昇させること、などが挙げられる。
【００９５】
図８に戻り、ステップＳ９３において、コントローラ６は、ステップＳ９２の回復操作が実行されることを示す回復操作フラグを設定する。なお、コントローラ６は、この回復操作フラグを、予め設定された所定時間の経過によって消滅させる。すなわち、回復操作フラグは所定時間のみ維持されることとなる。
【００９６】
図４に戻り、上記ステップＳ６０において所定時間以内、すなわち回復操作フラグが維持されている間に回復処理が実行されたと判定されると、ステップＳ１００においてコントローラ６は、乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜が、閾値ΔＶ２よりも大きいか否かを判定する。この閾値ΔＶ２は、所定時間以内に行った回復操作に対して乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜が、想定よりも高くなっているか否かという観点から定められる値である。すなわち、閾値ΔＶ２は、触媒に回復不能な不逆的触媒劣化が生じているかどうかを判定するための乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜の閾値である。
【００９７】
したがって、コントローラ６は、乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜が閾値ΔＶ２以下である場合には、不可逆的触媒劣化は生じていないと判定して本ルーチンを終了する。一方で、乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜が閾値ΔＶ２よりも大きい場合には、ステップＳ１１０において、不可逆的触媒劣化が生じていると判定する。なお、この閾値ΔＶ２は、上述したステップＳ８０で行われる触媒劣化判定で用いられる許容値ΔＶ１と同じ値に設定しても良いし、異なる値に設定しても良い。
【００９８】
そして、ステップＳ１１０において不可逆的触媒劣化が生じていると判定されると、ステップＳ１２０において、コントローラ６は、上記不可逆的触媒劣化によるセル電圧Ｖｃｅｌｌの触媒劣化幅ΔＶｄｅｇを算出する。
【００９９】
図１０Ａは、不可逆触媒劣化前後の燃料電池セル１０のＩＶ特性の一例を示すグラフである。図において、不可逆触媒劣化前の燃料電池セル１０のＩＶ特性Ｃ４を破線で示しており、不可逆触媒劣化後の燃料電池セル１０のＩＶ特性Ｃ５を実線で示している。
【０１００】
図示のように、不可逆触媒劣化後の燃料電池セル１０のＩＶ特性Ｃ５は、不可逆触媒劣化前の燃料電池セル１０のＩＶ特性Ｃ４と比較して発電電力（電流密度×セル電圧）が低下している。したがって、セル電流密度Ｉｃｅｌｌの値をある値に固定した場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌの値に差が生じることとなる。本実施形態では、この差をセル電圧触媒劣化幅ΔＶｄｅｇとして算出する。
【０１０１】
なお、図１０Ａから理解されるように、セル電流密度Ｉｃｅｌｌがある電流密度Ｉ１以上の領域においては、セル電流密度Ｉｃｅｌｌの値にかかわらず、不可逆触媒劣化前後においてセル電圧触媒劣化幅ΔＶｄｅｇは略一定である。すなわち、特性Ｃ５は、特性Ｃ４を縦軸に沿って略平行移動したグラフになっている。これは、不可逆触媒劣化前後で燃料電池セル１０のセル抵抗が略等しいことを意味する。したがって、電流密度Ｉ１以上の任意のセル電流密度Ｉｃｅｌｌにおいて、不可逆触媒劣化前後のセル電圧Ｖｃｅｌｌの差をセル電圧触媒劣化幅ΔＶｄｅｇとすることができる。
【０１０２】
さらに、本実施形態においては、上記ステップＳ１１０において触媒の不可逆触媒劣化が生じている場合に、走行モータ５３等の燃料電池スタック１に対する負荷による要求出力電力と、当該要求出力電力に基づいて定まる発電電流（出力電流）と、の間にずれが生じることが想定される。
【０１０３】
より詳細には、走行モータ５３等の負荷に応じて要求出力電力が定まると、その要求出力電力に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータにより燃料電池スタック１から取り出される電流である出力電流が定まることとなる。しかしながら、触媒の不可逆触媒劣化が生じていることで、図１０Ａにおいて説明したように燃料電池セル１０のＩＶ特性が低下していると、燃料電池スタック１の所望の要求出力電力に対して、本来必要となる燃料電池スタック１の出力電流の値が変わってしまうことが想定される。
【０１０４】
図１０Ｂは、不可逆触媒劣化前後の燃料電池セル１０における要求出力電力と必要な出力電流との関係を示すグラフである。なお、図１０Ｂに示すグラフは、実質的に図１０Ａに示す特性Ｃ４、Ｃ５を積分して得られるグラフである。そして、図において、不可逆触媒劣化前の燃料電池スタック１における要求出力電力と出力電流との関係を表す曲線Ｃ６を破線で示しており、不可逆触媒劣化後の燃料電池スタック１における要求出力電力と出力電流との関係を表す曲線Ｃ７を実線で示している。
【０１０５】
図の例において、走行モータ５３等の燃料電池スタック１に対する負荷により定まるある要求出力電力Ｐｒｅｑに対して、不可逆触媒劣化前の燃料電池スタック１では出力電流Ｉｏｕｔ１を取り出す必要があるのに対して、不可逆触媒劣化後の燃料電池スタック１では出力電流Ｉｏｕｔ１よりも大きい出力電流Ｉｏｕｔ２を取り出す必要がある。
【０１０６】
このように、不可逆触媒劣化によって所望の要求出力電力Ｐｒｅｑに対して、必要な出力電流の値が変わる事態が生じるので、本実施形態では、上記ステップＳ１１０において不可逆的触媒劣化が生じていると判定された場合には、ある要求出力電力Ｐｒｅｑに対応する出力電流（目標出力電流）を、その値が増大（図の例ではＩｏｕｔ１からＩｏｕｔ２）するように補正する。これにより、触媒の不可逆的触媒劣化が生じた場合であっても、所望の要求出力電力Ｐｒｅｑを実現するように、適切に出力電流を定めることができる。
【０１０７】
以上のように説明した触媒劣化判定方法により、高精度に触媒劣化が生じていることを判定することができるとともに、それが回復可能な触媒被毒による触媒劣化である場合には、適切に回復処理を行うことができる。さらに、不可逆触媒劣化によって所望の要求出力電力Ｐｒｅｑに対して、必要な出力電流の値が変わる事態が生じる場合には、当該出力電流を補正して、所望の要求出力電力Ｐｒｅｑを実現することができる。
【０１０８】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１０９】
本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法では、コントローラ６は、電解質膜１１１及び電解質膜１１１の両面に電気化学反応を促進する触媒層１１２Ａ、１１３Ａを含む電極１１２、１１３からなる膜電極接合体１１を含む燃料電池（燃料電池セル）において、触媒層１１２Ａ、１１３Ａにおける触媒劣化を検出する。そして、本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法では、コントローラ６は、触媒劣化前における、燃料電池セル１０の電流密度（セル電流密度Ｉｃｅｌｌ）が所定値Ｉ０以下である場合における電圧（セル電圧の基準電圧Ｖｓｔｄ）と、燃料電池セル１０の湿潤状態（ＨＦＲ値）と、の関係である劣化前電圧−湿潤状態関係（図６、図７）を取得する。また、コントローラ６は、燃料電池セル１０の現在における、燃料電池セル１０のセル電流密度Ｉｃｅｌｌが所定電流密度Ｉ０以下である場合の電圧（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）と、燃料電池セル１０の湿潤状態（ＨＦＲ値）と、の関係である現在電圧−湿潤状態関係（図６、図７）を取得する。さらに、コントローラ６は、劣化前電圧−湿潤状態関係と現在電圧−湿潤状態関係との比較の結果に基づいて、触媒が触媒劣化しているか否かを判定する。
【０１１０】
すなわち、コントローラ６は、上記劣化前電圧−湿潤状態関係を取得する劣化前電圧−湿潤状態関係取得装置、上記現在電圧−湿潤状態関係を取得する現在電圧−湿潤状態関係取得装置、及び劣化前電圧−湿潤状態関係と現在電圧−湿潤状態関係との比較の結果に基づいて、触媒が触媒劣化しているか否かを判定する判定装置として機能する。
【０１１１】
特に、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池セル１０の電解質膜に配置された触媒層の劣化を検出する燃料電池の触媒劣化判定装置が構成される。具体的に、コントローラ６及び電流センサ５１が燃料電池セル１０の電流密度（セル電流密度Ｉｃｅｌｌ）を検出する電流密度検出装置として機能し、コントローラ６及び電圧センサ５２が燃料電池セル１０の電圧（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）を検出する電圧検出装置として機能する。また、コントローラ６及びインピーダンス計測装置５が、燃料電池セル１０の湿潤状態（ＨＦＲ値）を検出する湿潤状態検出装置として機能する。さらにコントローラ６は、セル電流密度Ｉｃｅｌｌが所定値Ｉ０以下である触媒劣化前のＨＦＲ値と、燃料電池セル１０の基準電圧Ｖｓｔｄからの乖離電圧ｄＶとして許容される許容乖離電圧ｄＶｔｈ＋ΔＶ１との関係を記憶する記憶装置と、セル電流密度Ｉｃｅｌｌが所定値Ｉ０以下であるか否かを判定する電流密度判定装置と、電流密度判定装置によりセル電流密度Ｉｃｅｌｌが所定値Ｉ０以下であると判定された際の乖離電圧ｄＶが、記憶装置に記憶された許容乖離電圧ｄＶｔｈ＋ΔＶ１より大きいことを検出すると、触媒層が劣化していると判定する劣化判定装置として機能することが可能である。
【０１１２】
これにより、セル電流密度Ｉｃｅｌｌが所定値以下である場合におけるセル電圧Ｖｃｅｌｌと、燃料電池セル１０の湿潤状態との間の相関を利用して、触媒被毒に起因する触媒劣化が判定されることとなるので、触媒被毒に起因する触媒劣化をより高精度に判定することができる。
【０１１３】
また、本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法では、上記触媒劣化前における燃料電池セル１０の電圧を基準電圧Ｖｓｔｄとして取得し、上記触媒が触媒劣化しているかの判定（図４のステップＳ７０）では、現在のセル電圧Ｖｃｅｌｌと基準電圧Ｖｓｔｄの差である乖離電圧ｄＶを算出し、乖離電圧ｄＶが所定値（ｄＶｔｈ＋ΔＶ１：図７参照）より大きい場合に、触媒劣化が生じていると判定する。
【０１１４】
これにより、触媒劣化を判定するための劣化前電圧−湿潤状態関係と現在電圧−湿潤状態関係の比較を、現在のセル電圧Ｖｃｅｌｌと基準電圧Ｖｓｔｄの差である乖離電圧ｄＶと所定値の大小を比較するという簡易な方法で実行することができる。
【０１１５】
さらに、本実施形態でコントローラ６は、セル電流密度Ｉｃｅｌｌが、燃料電池セル１０の湿潤度ｗ以外の要因によるセル電圧Ｖｃｅｌｌのばらつきを回避する観点から定められた所定値Ｉ０以下であるか否かを判定する電流密度判定装置として機能する。これにより、本実施形態に係る触媒劣化の判定において、湿潤度ｗ以外にセル電圧Ｖｃｅｌｌに相関する因子によるセル電圧Ｖｃｅｌｌ検出値のばらつきが抑制され、より高精度な触媒劣化の判定に資することとなる。
【０１１６】
また、本実施形態のコントローラ６は、セル電流密度Ｉｃｅｌｌが所定値Ｉ０以下である触媒劣化前の理論乖離電圧ｄＶｔｈを記憶する記憶装置と、セル電流密度Ｉｃｅｌｌが所定値Ｉ０以下であると判定された際の乖離電圧ｄＶと、上記記憶装置に記憶された理論乖離電圧ｄＶｔｈと、の差である乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜を算出し、乖離電圧差｜ｄＶ−ｄＶｔｈ｜が、所定の許容乖離電圧差ΔＶ１よりも大きいと触媒層が劣化していると判定する劣化判定装置として機能している。これにより、触媒層の劣化判定に係る演算をより簡素化することができる。
【０１１７】
さらに、本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法では、触媒劣化が生じていると判定されると、触媒劣化を回復する触媒劣化回復操作（図８のステップＳ９２）を実行する。これにより、たとえ触媒劣化が生じていると判定された場合であっても、当該触媒劣化が、回復可能な触媒劣化（可逆的触媒劣化）である場合には、これを回復することができる。
【０１１８】
また、本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法では、触媒劣化回復操作（図８のステップＳ９２）を実行した後に、再度、触媒劣化が生じているか否かの判定を行い（図４のステップＳ１００）、この再度の判定によっても触媒劣化が生じていると判定されると、触媒劣化が不可逆触媒劣化であると判定する（図４のステップＳ１１０）。
【０１１９】
このように、触媒劣化回復操作を行ったにもかかわらず、触媒劣化が生じていると判定される場合に、当該触媒劣化は不可逆触媒劣化であると判定するので、触媒の不可逆触媒劣化の発生及びこれによる燃料電池１０の特性の低下をより確実に検出し、これに対する種々の処置を講ずることができる。
【０１２０】
さらに、本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法では、触媒劣化が不可逆触媒劣化であると判定されると、燃料電池スタック１の出力電力を決定するパラメータ（出力電流）に不可逆触媒劣化の影響による補正を行う。
【０１２１】
これにより、不可逆触媒劣化の影響を加味して所望の燃料電池スタック１の出力電力を実現するための出力電流、セル抵抗値、及び空気流量等の種々のパラメータを補正し、燃料電池スタック１の出力電力制御をより高精度に行うことができる。
【０１２２】
なお、本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法では、インピーダンス計測装置５は燃料電池１０の内部インピーダンスＺを計測し、コントローラ６が内部インピーダンスＺに基づいて湿潤度ｗを推定する。すなわち、コントローラ６が、内部インピーダンスＺに基づいて湿潤度ｗを推定する湿潤状態計測装置として機能する。
【０１２３】
より詳細には、内部インピーダンスＺは、ＨＦＲ取得用の高周波数帯の周波数ωＨを用いて計測したＨＦＲ値である。すなわち、コントローラ６が、内部インピーダンスＺとしてのＨＦＲ値Ｚ（ωＨ）に基づいて湿潤度ｗを推定する湿潤状態計測装置として機能する。このように、燃料電池スタック１内の湿潤度ｗと強く相関しているＨＦＲ値を湿潤度ｗの算出に用いることで、当該湿潤度ｗをより高精度に求めることができる。
【０１２４】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。以下に示す各実施形態では前述した第１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。
【０１２５】
本実施形態では、上記湿潤度ｗを求めるにあたり、上記ＨＦＲ値に代えて、燃料電池セル１０の触媒層１１２Ａ、１１３Ａ内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗Ｒｉｏｎを用いる。以下では、アイオノマ抵抗Ｒｉｏｎの算出方法について説明する。
【０１２６】
図１１は、本実施形態にかかる燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺのナイキスト線図である。特に、図１１では、所定の簡易等価回路に燃料電池スタック１の状態量（反応抵抗値及び電気二重層容量値）の計測値を当てはめて定まるインピーダンス曲線（等価回路インピーダンス曲線Ｃ１とも記載する）、及び予め所定条件の下で測定された内部インピーダンスの実測値に基づくインピーダンス曲線（実測インピーダンス曲線Ｃ２とも記載する）が示されている。
【０１２７】
なお、図においては、等価回路インピーダンス曲線Ｃ１を破線、及び実測インピーダンス曲線Ｃ２を実線で示す。ここで、各インピーダンス曲線は、図面の簡略化のため一部分のみしか示していない。
【０１２８】
図１２は、燃料電池スタック１の簡易等価回路の一例を示す。図示のように、簡易等価回路では、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗成分、電極（カソード極及びアノード極）における反応抵抗、及び電極の電気二重層容量成分が含まれている。当該簡易等価回路に基づいて得られる内部インピーダンスＺの式は、
【数１】
2017084451.tif 000003
となる。
【０１２９】
ただし、ωは周波数、Ｒｍｅｍは電解質膜抵抗値、Ｒａｃｔは反応抵抗値、Ｃｄｌは電気二重層容量、及びｊは虚数単位を意味する。
【０１３０】
ここで、内部インピーダンス計測装置５は、所定の低周波数帯に属する２つの周波数ω１、ω２において内部インピーダンスＺ（ω１）及びＺ（ω２）を計測する。そして、コントローラ６は、これらの周波数ω１、ω２及び内部インピーダンスＺ（ω１）及びＺ（ω２）を上記式（１）に適用して反応抵抗値Ｒａｃｔ及び電気二重層容量値Ｃｄｌを得る。
【０１３１】
具体的には、反応抵抗値Ｒａｃｔ及び電気二重層容量値Ｃｄｌは、上記２点の周波数ω１及びω２におけるインピーダンス計測値Ｚ（ω１）及びＺ（ω２）を式（１）に代入し、得られた式を実部と虚部に分離してなる４つの式から、電気二重層容量値Ｃｄｌ、反応抵抗Ｒａｃｔ、及び電解質膜抵抗値Ｒｍｅｍを求める。
【０１３２】
このように求めた反応抵抗値Ｒａｃｔ及び電気二重層容量値Ｃｄｌを式（１）に適用すると、図１１の破線に示す円弧状形状の等価回路インピーダンス曲線Ｃ１が得られる。
【０１３３】
一方、実測インピーダンス曲線Ｃ２は、燃料電池スタック１に対し、複数の周波数においてインピーダンス計測を行い、得られた複数のインピーダンス計測値を複素平面上にプロットして描いた曲線である。なお、この実測インピーダンス曲線Ｃ２は、通常、多数の周波数における内部インピーダンスの計測値を必要とするため、燃料電池スタック１を車載した状態で作成することは難しい。したがって、この実測インピーダンス曲線Ｃ２としては、例えば燃料電池スタック１と同種の燃料電池スタックに対して予め実験的にインピーダンス計測を行うことで作成したデータを用いる。ここで、十分大きな周波数ωＨにおける内部インピーダンスの計測値（図では曲線Ｃ２と実軸との交点）がＨＦＲ値である。
【０１３４】
実測インピーダンス曲線Ｃ２は、相対的に低周波数の円弧領域においては、上記等価回路インピーダンス曲線Ｃ１に略一致している。しかしながら、実測インピーダンス曲線Ｃ２は、相対的に高周波数の非円弧領域Ｌ１においては、直線状部分を形成しており、等価回路インピーダンス曲線Ｃ１からずれている。
【０１３５】
このような非円弧領域Ｌ１が形成される理由として、上述のように簡易等価回路に基づいて設定された等価回路インピーダンス曲線Ｃ１では、燃料電池セルの厚さ方向における分布に基づくアイオノマ抵抗の影響が考慮されていないため、当該アイオノマ抵抗の影響に起因する誤差が高周波数の領域において大きくなったために生じたものである。
【０１３６】
以上のことから、周波数ωを最も大きくした実軸上の部分において、等価回路インピーダンス曲線Ｃ１と実軸との交点の値である電解質膜抵抗値Ｒｍｅｍと実測インピーダンス曲線Ｃ２と実軸との交点の値であるＨＦＲ値との差をとることで、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎを求めることができる。このようにして求められたアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎは、バルク抵抗や接触抵抗等の電子輸送抵抗成分が含まれておらず、ＨＦＲ値と比較して燃料電池スタック１の湿潤度ｗに対する感度がより高くなる。すなわち、このアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎを湿潤度ｗの算出に用いることで、得られる湿潤度ｗがより高精度となる。
【０１３７】
図１３は、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎと燃料電池スタック１の内部の湿潤度ｗの関係を示すアイオノマ抵抗値−湿潤度マップを表す。なお、このアイオノマ抵抗値−湿潤度マップは、予めコントローラ６に記憶されている。図示のように、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎと湿潤度ｗは、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎが増加するほど湿潤度ｗが減少し、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎが定まれば湿潤度ｗが一意に定まる関係にある。したがって、コントローラ６は、算出されたアイオノマ抵抗値ＲｉｏｎからこのＨＦＲ−湿潤度マップに基づき、湿潤度ｗを算出することができる。
【０１３８】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１３９】
本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法では、内部インピーダンスＺから燃料電池スタック１の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎを算出し、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎに基づいて湿潤度ｗを求める。
【０１４０】
すなわち、コントローラ６が、内部インピーダンスＺから燃料電池セル１０の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎを算出し、アイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎに基づいて湿潤度ｗを求める湿潤状態検出装置として機能する。
【０１４１】
このように、燃料電池スタック１の湿潤度ｗに対してより高い感度を持つアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎを用いて、当該湿潤度ｗを算出することで、より高精度の湿潤度ｗの推定値を得ることができる。したがって、この高精度の湿潤度ｗに基づいて行われる触媒劣化の検出精度もより向上されることとなる。
【０１４２】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。
【０１４３】
本実施形態では、湿潤度ｗを求めるにあたり、上記ＨＦＲ値に代えて、燃料電池スタック１の電気二重層容量値Ｃｄｌを用いる。以下では、電気二重層容量値Ｃｄｌの算出方法について説明する。
【０１４４】
図１４は、カソード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ｃの算出の流れを示すフローチャートである。
【０１４５】
ステップＳ３１において、コントローラ６は、図１５Ａに示す燃料電池スタック１の等価回路モデルを設定する。本実施形態では、この等価回路には、アノード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ａ及び電気二重層容量値Ｃｄｌ，ａ、カソード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ｃ及び電気二重層容量値Ｃｄｌ，ｃ、並びに電解質膜抵抗値Ｒｍｅｍが含まれている。
【０１４６】
ここで、アノード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ａは、アノード極におけるアノードガスの反応に応じて増減し、例えばアノードガスが不足している等の当該反応の進行が円滑に行われない要因で反応抵抗値Ｒａｃｔ，ａは上昇する。したがって、アノード極に十分な量のアノードガスが供給されており、水素が不足していない状態では、アノード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ａの値は、カソード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ｃに比べて小さい。したがって、アノード極の反応抵抗成分は無視することができる。
【０１４７】
さらに、アノード極の電気二重層容量値Ｃｄｌ，ａは、燃料電池スタック１においてアノード極が有する電気容量を表すようにモデル化したものである。従って、電気二重層容量値Ｃｄｌ，ａはアノード極を構成する材料や大きさ等の種々の要素に基づいて決定されることとなる。ここで、アノード極の電気二重層容量値Ｃｄｌ，ａは、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌ，ｃと比べて低周波数（数百Ｈｚ以下）に対する感度が低いことが知られている。特に、本実施形態において想定される上記特定周波数帯に属する周波数においては、電気二重層容量値Ｃｄｌ，ｃの内部インピーダンスの値に対する寄与は非常に小さい。したがって、アノード極の電気二重層容量成分は無視することができる。
【０１４８】
このように、アノード極の反応抵抗成分及びアノード極の電気二重層容量成分を無視することができるので、燃料電池スタック１の等価回路モデルは、実質的に図１４Ｂに示すような、カソード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ｃ、電気二重層容量値Ｃｄｌ，ｃ、及び電解質膜抵抗値Ｒｍｅｍのみが含まれる回路とみなすことができる。
【０１４９】
したがって、以下では符号の簡略化のため、カソード極の反応抵抗値Ｒａｃｔ，ｃの符号を単に「Ｒａｃｔ」と記載し、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌ，ｃの符号を単に「Ｃｄｌ」と記載する。
【０１５０】
図１４に戻り、ステップＳ３２において、コントローラ６は、図１５Ｂに示す等価回路に基づき、内部インピーダンスＺの式を設定する。したがって得られる内部インピーダンスＺの式は、上記式（１）と一致する。
【０１５１】
ステップＳ３３において、コントローラ６は、上記式（１）の虚部Ｚｉｍを抽出する。虚部Ｚｉｍは以下のとおりである。
【０１５２】
【数２】
2017084451.tif 000004
【０１５３】
ステップＳ３４において、コントローラ６は、抽出した内部インピーダンスの虚部Ｚｉｍから、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌを演算する。具体的には、上記式（２）に対して、周波数ω１及びω２（数Ｈｚ〜数十Ｈｚ）、及びこれら周波数ω１及びω２に基づきインピーダンス計測装置５が計測した内部インピーダンスＺの虚部Ｚｉｍ（ω１）及びＺｉｍ（ω２）を代入し、未知数をＣｄｌ及びＲａｃｔをする２つの方程式を得てこれを解いて電気二重層容量値Ｃｄｌを求める。
【０１５４】
特に、上記式（２）は、下記の式（３）のように変形することができる。
【０１５５】
【数３】
2017084451.tif 000005
【０１５６】
したがって、縦軸が−１／ωＺｉｍ、横軸が１／ω2である座標平面上において、２つの周波数ω１及びω２とインピーダンスの虚部Ｚｉｍ（ω１）及びＺｉｍ（ω２）をプロットして直線を描き、この直線の切片を求めれば、この切片がＣｄｌに等しくなる。これにより、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌを容易に算出することができる。
【０１５７】
図１６には、燃料電池スタック１の湿潤度ｗとカソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌの関係を示す湿潤状態−電気二重層容量値マップを表す。なお、この湿潤状態−電気二重層容量値マップは、予めコントローラ６に記憶されている。図示のように、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌと湿潤度ｗは、電気二重層容量値Ｃｄｌが増加するほど湿潤度ｗが増加し、電気二重層容量値Ｃｄｌが定まれば湿潤度ｗが一意に定まる関係にある。したがって、コントローラ６は、算出された電気二重層容量値Ｃｄｌからこの電気二重層容量値−湿潤度マップに基づき、湿潤度ｗを算出する。特に、燃料電池スタック１の電極材料にケッチェンブラック等の非晶質炭素材料を用いると、電気二重層容量値Ｃｄｌと湿潤度ｗの相関がより明確に現れる。
【０１５８】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１５９】
本実施形態に係る燃料電池の触媒劣化判定方法では、内部インピーダンスＺから燃料電池スタック１の電気二重層容量値Ｃｄｌを算出し、電気二重層容量値Ｃｄｌに基づいて湿潤状態を求める。
【０１６０】
これにより、ＨＦＲ値やアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎ以外にも、燃料電池スタック１の湿潤度ｗを算出する方法を提供することができるので、燃料電池スタック１の運転条件等に応じて、ＨＦＲ値やアイオノマ抵抗値Ｒｉｏｎよりも電気二重層容量値Ｃｄｌを求めることが容易である状況下において、湿潤度ｗを求めることができる。
【０１６１】
なお、本実施形態において、カソード極の電気二重層容量値Ｃｄｌを用いて湿潤度ｗを求めたが、例えばアノード極の電気二重層容量値も考慮して、燃料電池スタック１全体の電気二重層容量と湿潤度ｗの関係から湿潤度ｗを求めるようにしても良い。
【０１６２】
（第４実施形態）
以下、第４の実施形態について説明する。なお、既に説明した実施形態の要素と同様の要素には同一の符号を付す。
【０１６３】
本実施形態では、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの計測にあたり、出力電流Ｉ及び出力電圧Ｖに交流信号を重畳する構成に代えて、燃料電池スタック１に所定の計測用電流源から電流Ｉを供給し、当該供給電流Ｉと出力される出力電圧Ｖとに基づいて内部インピーダンスＺ＝Ｖ／Ｉを算出するいわゆる励起電流印加法が行われる。
【０１６４】
図１７は、本実施形態に係るインピーダンス計測装置５の概略構成に示したブロック図である。
【０１６５】
図示のように、インピーダンス計測装置５は、燃料電池スタック１の正極端子（カソード極側端子）１Ｂ及び負極端子（アノード極側端子）１Ａの他に、中途端子１Ｃに接続されている。なお、中途端子１Ｃに接続された部分は図に示すようにアースされている。
【０１６６】
そして、インピーダンス計測装置５は、中途端子１Ｃに対する正極端子１Ｂの正極側交流電位差Ｖ１を検出する正極側電圧検出センサ２１０と、中途端子１Ｃに対する負極端子１Ａの負極側交流電位差Ｖ２を検出する負極側電圧検出センサ２１２と、を有している。
【０１６７】
さらに、インピーダンス計測装置５は、正極端子１Ｂと中途端子１Ｃからなる回路に交流電流Ｉ１を印加する正極側交流電源部２１４と、負極端子１Ａと中途端子１Ｃからなる回路に交流電流Ｉ２を印加する負極側交流電源部２１６と、これら交流電流Ｉ１及び交流電流Ｉ２の振幅や位相を調整するコントローラ２１８と、正極側交流電位差Ｖ１、Ｖ２及び交流電流Ｉ１、Ｉ２に基づいて燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺの演算を行う演算部２２０と、を有している。
【０１６８】
本実施形態では、コントローラ２１８は、正極側交流電位差Ｖ１と負極側交流電位差Ｖ２が等しくなるように、交流電流Ｉ１と交流電流Ｉ２の振幅及び位相を調節する。なお、このコントローラ２１８は、図１に示すコントローラ６により構成されても良い。
【０１６９】
また、演算部２２０は、図示しないＡＤ変換器やマイコンチップ等のハードウェア、及びインピーダンスを算出するプログラム等のソフトウェア構成を含み、正極側交流電位差Ｖ１を交流電流Ｉ１で除して、中途端子１Ｃから正極端子１Ｂまでの内部インピーダンスＺ１を算出し、負極側交流電位差Ｖ２を交流電流Ｉ２で除して、中途端子１Ｃから負極端子１Ａまでの内部インピーダンスＺ２を算出する。さらに、演算部２２０は、内部インピーダンスＺ１と内部インピーダンスＺ２の和をとることで、燃料電池スタック１の全内部インピーダンスＺを算出する。
【０１７０】
上記した本実施形態に係る燃料電池の状態推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１７１】
本実施形態に係る燃料電池の状態推定方法では、コントローラ２１８は、積層電池として構成された燃料電池スタック１に交流電流Ｉ１，Ｉ２を出力し、燃料電池スタック１の正極端子１Ｂの電位から中途端子１Ｃの電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差Ｖ１と、燃料電池スタック１の負極端子１Ａの電位から中途端子１Ｃの電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差Ｖ２と、に基づいて交流電流Ｉ１，Ｉ２を調整し、調整された交流電流Ｉ１及びＩ２、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２に基づいて燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを演算する。
【０１７２】
特に、コントローラ２１８は、燃料電池スタック１の正極側の正極側交流電位差Ｖ１が負極側の負極側交流電位差Ｖ２と実質的に一致するように、正極側交流電源部２１４により印加される交流電流Ｉ１及び負極側交流電源部２１６により印加される交流電流Ｉ２の振幅及び位相を調節する。これにより、正極側交流電位差Ｖ１と負極側交流電位差Ｖ２とが等しくなるので、正極端子１Ｂと負極端子１Ａが実質的に等電位となる。したがって、インピーダンス計測のための交流電流Ｉ１、Ｉ２が走行モータ等の負荷に流れることが防止されるので、燃料電池スタック１による発電によるインピーダンス計測への影響が防止される。
【０１７３】
また、燃料電池スタック１が発電状態の下で内部インピーダンスＺの計測を実行する場合、当該発電により生じた電圧に計測用交流電位が重畳されることとなるので、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２の値自体が大きくなるが、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２の位相や振幅自体が変わるわけではないので、燃料電池スタック１が発電状態ではない場合と同様に高精度に内部インピーダンスＺを計測することができる。
【０１７４】
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。
【符号の説明】
【０１７５】
１    燃料電池スタック
１Ａ    アノード極側端子（負極端子）
１Ｂ    カソード極側端子（正極端子）
１Ｃ    中途端子
４    電力システム
５    インピーダンス計測装置
６    コントローラ
１０    燃料電池セル
１１    膜電極接合体（ＭＥＡ）
２４    エアフローセンサ
２５    カソードコンプレッサ
５１    電流センサ
５２    電圧センサ
５３    走行モータ
５４    インバータ
５５    バッテリ
５６    ＤＣ／ＤＣコンバータ
５７    補機類
１００    燃料電池システム
１１１    電解質膜
１１２    アノード極
１１２Ａ    触媒層
１１２Ｂ    ガス拡散層
１１３    カソード電極
１１３Ａ    触媒層
１１３Ｂ    ガス拡散層
２１０    正極側電圧検出センサ
２１２    負極側電圧検出センサ
２１４    正極側交流電源部
２１６    負極側交流電源部
２１８    コントローラ
２２０    演算部
【図１】
2017084451.tif 000006
【図２】
2017084451.tif 000007
【図３】
2017084451.tif 000008
【図４】
2017084451.tif 000009
【図５】
2017084451.tif 000010
【図６】
2017084451.tif 000011
【図７】
2017084451.tif 000012
【図８】
2017084451.tif 000013
【図９】
2017084451.tif 000014
【図１０Ａ】
2017084451.tif 000015
【図１０Ｂ】
2017084451.tif 000016
【図１１】
2017084451.tif 000017
【図１２】
2017084451.tif 000018
【図１３】
2017084451.tif 000019
【図１４】
2017084451.tif 000020
【図１５Ａ】
2017084451.tif 000021
【図１５Ｂ】
2017084451.tif 000022
【図１６】
2017084451.tif 000023
【図１７】
2017084451.tif 000024