(57)【要約】【課題】燃料電池の出力低下要因を適確に診断可能にする。【解決手段】燃料電池１０内において燃料ガスが不足しやすい部位Ｄを流れる電流を測定する電流測定手段１３４、１５３、１６３、１６６、１７４と、電流測定手段にて測定した電流値に基づいて燃料電池の燃料ガスの不足状態を診断する診断手段４０を設ける。診断手段４０は、電流測定手段にて測定した電流が所定電流値未満で、且つ電流測定手段にて測定した電流の低下速度が所定低下速度以上であるときは、燃料電池への燃料ガスの供給量が不足していると診断する。【選択図】図１６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）内において燃料ガスが不足しやすい部位（Ｄ）を流れる電流を測定する電流測定手段（１３４、１５３、１６３、１６６、１７４）と、
前記電流測定手段にて測定した電流値に基づいて前記燃料電池の燃料ガスの不足状態を診断する診断手段（４０）を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記診断手段（４０）は、前記電流測定手段にて測定した電流が所定電流値未満で、且つ前記電流測定手段にて測定した電流の低下速度が所定低下速度以上であるときは、前記燃料電池への燃料ガスの供給量が不足していると診断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】
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）内において水分過剰になりやすく且つ燃料ガスが不足しやすい部位（Ｄ）を流れる電流を測定する電流測定手段（１３４、１５３、１６３）と、
前記電流測定手段で測定した電流の低下速度に基づいて、前記燃料電池の水分過剰と前記燃料電池の燃料ガス不足とを区別して診断する診断手段（４０）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記診断手段は、前記電流測定手段にて測定した電流が所定電流値未満で、且つ前記電流測定手段にて測定した電流の低下速度が所定低下速度未満であるときは、前記燃料電池の水分が過剰になっていると診断し、前記電流測定手段にて測定した電流が前記所定電流値未満で、且つ前記電流測定手段にて測定した電流の低下速度が前記所定低下速度以上であるときは、前記燃料電池への燃料ガスの供給量が不足していると診断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池（１０）は、電解質膜の両側に一対の電極が配置された電解質・電極接合体（１００）と、前記電解質・電極接合体の外側に配置されるとともに前記酸化剤ガスの流路となる酸化剤ガス流路（１１３）が形成された第１セパレータ（１１０）と、前記電解質・電極接合体の外側に配置されるとともに前記燃料ガスの流路となる燃料ガス流路（１２３）が形成された第２セパレータ（１２０）とを備え、
前記電流測定手段（１３４、１５３、１６３、１６６、１７４）は、前記燃料ガス流路における燃料ガスの入口部（１２１）よりも燃料ガスの出口部（１２２）に近い位置で電流を測定することを特徴とする請求項１ないし４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、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、水分が不足すると電解質膜が乾燥して電池の出力が低下し、一方、水分が過剰になると電極が水に覆われてガスの透過が阻害され、電池の出力が低下する。したがって、電解質膜の保水状態や電極の濡れ状態を的確に診断して、保水状態や濡れ状態を適正に制御する必要がある。また、反応ガスの供給量が不足した場合も電池の出力が低下するため、反応ガス不足を適確に診断して、反応ガス供給量を適正に制御する必要がある。
【０００３】
ところで、燃料電池の運転状態を診断するには、セル電圧の低下から異常状態を診断する方法が考えられる。また、燃料電池内の電流分布から反応ガスの過不足を診断し、反応ガス流量もしくは負荷電流を制御して燃料電池の破壊を防止するようにしたものも提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２５９９１３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、セル電圧の低下から異常状態を診断する方法の場合、電解質膜の乾燥、過剰な水による反応阻害、および反応ガスの供給不足のいずれによってもセル電圧が低下するため、燃料電池の出力低下要因を特定することができず、したがって出力低下要因に応じた適確な制御が行えないといった問題が発生する。
【０００６】
一方、特許文献１に記載のシステムでは、反応ガスの過不足のみを診断しているため、出力低下要因を適確に診断することは不可能である。そのため、反応ガス流量以外の水過剰状態や電解質膜の乾燥状態を区別することができず、したがって出力低下要因に応じた適確な制御が行えないといった問題が発生する。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、燃料電池の出力低下要因を適確に診断可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）内において燃料ガスが不足しやすい部位（Ｄ）を流れる電流を測定する電流測定手段（１３４、１５３、１６３、１６６、１７４）と、電流測定手段にて測定した電流値に基づいて燃料電池の燃料ガスの不足状態を診断する診断手段（４０）を備えることを特徴とする。これによると、燃料電池への水素の供給量が不足した際には、それを適確に診断することができる。
【０００９】
具体的には、請求項２に記載の発明のように、診断手段（４０）は、電流測定手段にて測定した電流が所定電流値未満で、且つ電流測定手段にて測定した電流の低下速度が所定低下速度以上であるときは、燃料電池への燃料ガスの供給量が不足していると診断することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）内において水分過剰になりやすく且つ燃料ガスが不足しやすい部位（Ｄ）を流れる電流を測定する電流測定手段（１３４、１５３、１６３）と、電流測定手段で測定した電流の低下速度に基づいて、燃料電池の水分過剰と燃料電池の燃料ガス不足とを区別して診断する診断手段（４０）とを備えることを特徴とする。
【００１１】
これによると、燃料電池が水分過剰となった際には、それを適確に診断することができるとともに、燃料電池への水素の供給量が不足した際には、それを適確に診断することができる。また、電流の低下速度によって燃料電池の出力低下要因が水分過剰であるか水素供給不足であるかを特定することができ、したがって出力低下要因に応じた適確な制御を行うことができる。
【００１２】
具体的には、請求項４に記載の発明では、診断手段は、電流測定手段にて測定した電流が所定電流値未満で、且つ電流測定手段にて測定した電流の低下速度が所定低下速度未満であるときは、燃料電池の水分が過剰になっていると診断し、電流測定手段にて測定した電流が所定電流値未満で、且つ電流測定手段にて測定した電流の低下速度が所定低下速度以上であるときは、燃料電池への燃料ガスの供給量が不足していると診断することができる。
【００１３】
因みに、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の発明の実施に際しては、請求項５に記載の発明のように、燃料電池（１０）は、電解質膜の両側に一対の電極が配置された電解質・電極接合体（１００）と、電解質・電極接合体の外側に配置されるとともに酸化ガスの流路となる酸化ガス流路（１１３）が形成された第１セパレータ（１１０）と、電解質・電極接合体の外側に配置されるとともに燃料ガスの流路となる燃料ガス流路（１２３）が形成された第２セパレータ（１２０）とを備え、電流測定手段（１３４、１５３、１６３、１６６、１７４）は、燃料ガス流路における燃料ガスの入口部（１２１）よりも燃料ガスの出口部（１２２）に近い位置で電流を測定するようにしてもよい。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】図１の燃料電池１０の単セルを示す模式的な斜視図である。
【図３】図２の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。
【図４】図２の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。
【図５】図２における−極側の要部の拡大図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図７】電解質膜の乾燥が発生した際の電流Ｉの変化を示す特性図である。
【図８】水素出口部の水滴量増加による水分過剰が発生した際の電流Ｉの変化を示す特性図である。
【図９】水素供給量が不足した際の電流Ｉの変化を示す特性図である。
【図１０】水分過剰発生時および水素不足発生時の電流Ｉの変化を示す特性図である。
【図１１】水分過剰発生時および水素不足発生時の電流Ｉの低下速度を示す特性図である。
【図１２】図１の制御部４０にて実行される制御処理を示す流れ図である。
【図１３】乾燥判定時における総電流値と所定電流値との関係を示す特性図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図１５】図１４の燃料電池１０を示す模式的な斜視図である。
【図１６】図１４の燃料電池１０の単セルを示す模式的な斜視図である。
【図１７】第３実施形態の水分状態が変動した場合の燃料電池の発電電流Ｉの変化を示す特性図である。
【図１８】水分状態が変動した場合の差分電圧ΔＩの変化を示す特性図である。
【図１９】第３実施形態の水分量制御の内容を示すフローチャートである。
【図２０】第４実施形態の水分状態が変動した場合の燃料電池の発電電流Ｉの変化を示す特性図である。
【図２１】水分状態が変動した場合の差分電圧ΔＩの変化を示す特性図である。
【図２２】第４実施形態の水分量制御の内容を示すフローチャートである。
【図２３】第５実施形態の燃料電池の局所内部抵抗と内部水分量との関係を示す特性図である。
【図２４】第６実施形態の水分状態が変動した場合の燃料電池の局所内部抵抗Ｉの変化を示す特性図である。
【図２５】水分状態が変動した場合の差分抵抗ΔＩの変化を示す特性図である。
【図２６】第６実施形態の水分量制御の内容を示すフローチャートである。
【図２７】第７実施形態の水分状態が変動した場合の燃料電池の局所内部抵抗Ｉの変化を示す特性図である。
【図２８】水分状態が変動した場合の差分抵抗ΔＩの変化を示す特性図である。
【図２９】第７実施形態の水分量制御の内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷１１に相当する。
【００１８】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００１９】
（負極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（正極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
そして、各セル毎の出力電圧を検出するセルモニタ１２が設けられ、セルモニタ１２で検出したセル電圧信号が後述する制御部４０に入力されるようになっている。
【００２０】
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００２１】
空気流路２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気流路２０における空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられ、空気流路２０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。
【００２２】
水素流路３０の最上流部には、水素が充填された水素ボンベ３１が設けられ、水素流路３０における水素ボンベ３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２と、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。
【００２３】
水素流路３０における燃料電池１０の下流側は、水素調圧弁３２の下流側に接続されて水素流路３０が閉ループに構成されており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、燃料電池１０での未使用水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素流路３０における燃料電池１０の下流側には、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３４が設けられている。
【００２４】
制御部（ＥＣＵ）４０は、本発明の診断手段に相当し、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部４０には、セルモニタ１２からのセル電圧信号や後述する電流センサからの信号が入力される。また、制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、３３、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３４に制御信号を出力する。
【００２５】
図２は燃料電池１０の単セルを示す模式的な斜視図であり、燃料電池１０の単セルは、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質・電極接合体）１００と、このＭＥＡ１００を挟持する空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０で構成されている。また、水素側セパレータ１２０に隣接して−極の集電板１３０が配置されている。因みに、空気側セパレータ１１０は＋極の集電板を兼ねている。
【００２６】
図３は図２の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図であり、空気側セパレータ１１０は、空気流路２０に接続される空気入口部１１１および空気出口部１１２と、空気入口部１１１から空気出口部１１２に向かって空気を流すための空気流路溝１１３とを備えている。なお、空気側セパレータ１１０は本発明の第１セパレータに相当し、空気流路溝１１３は本発明の酸化ガス流路に相当し、空気入口部１１１は本発明の酸化ガスの入口部に相当し、空気出口部１１２は本発明の酸化ガスの出口部に相当する。
【００２７】
図４は図２の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図であり、水素側セパレータ１２０は、水素流路３０に接続される水素入口部１２１および水素出口部１２２と、水素入口部１２１から水素出口部１２２に向かって水素を流すための水素流路溝１２３とを備えている。なお、水素側セパレータ１２０は本発明の第２セパレータに相当し、水素流路溝１２３は本発明の燃料ガス流路に相当し、水素入口部１２１は本発明の燃料ガスの入口部に相当し、水素出口部１２２は本発明の燃料ガスの出口部に相当する。
【００２８】
図５は図２における−極側の要部の拡大図、図６は図５のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図２、図５、図６に示すように、集電板１３０は、主集電板１３１と３つの副集電板１３２〜１３４に分割されている。この主集電板１３１および３つの副集電板１３２〜１３４は、絶縁材よりなる絶縁枠１４０内に、相互に絶縁された状態で装着されている。
【００２９】
第１副集電板１３２は、空気側セパレータ１１０の空気流路溝１１３における空気出口部１１２よりも空気入口部１１１に近い位置、詳細には、空気入口部１１１近傍（図３に符号Ｂを付して示す部位）、より詳細には、空気入口部１１１と一部が重なる位置に、対向して配置されている。第１副集電板１３２と主集電板１３１との間は、導電性の第１集電線１５１により接続されている。第１集電線１５１には、この第１集電線１５１を流れる電流を検出する第１電流センサ１６１が装着されている。
【００３０】
第２副集電板１３３は、水素側セパレータ１２０の水素流路溝１２３における水素出口部１２２よりも水素入口部１２１に近い位置、詳細には、水素入口部１２１近傍（図４に符号Ｃを付して示す部位）、より詳細には、水素入口部１２１と一部が重なる位置に、対向して配置されている。第２副集電板１３３と主集電板１３１との間は、導電性の第２集電線１５２により接続されている。第２集電線１５２には、この第２集電線１５２を流れる電流を検出する第２電流センサ１６２が装着されている。
【００３１】
第３副集電板１３４は、水素側セパレータ１２０の水素流路溝１２３における水素入口部１２１よりも水素出口部１２２に近い位置、詳細には、水素出口部１２２近傍（図４に符号Ｄを付して示す部位）、より詳細には、水素出口部１２２と一部が重なる位置に、対向して配置されている。第３副集電板１３４と主集電板１３１との間は、導電性の第３集電線１５３により接続されている。第３集電線１５３には、この第３集電線１５３を流れる電流を検出する第３電流センサ１６３が装着されている。
【００３２】
各電流センサ１６１〜１６３は、例えば磁気センサとしてのホール素子を用いることができる。この場合、ギャップを有する鉄心を集電線１５１〜１５３の周囲に配置し、そのギャップ内にホール素子を配置すればよい。集電線１５１〜１５３に電流が流れると、その電流に比例した磁界が集電線１５１〜１５３の周囲に発生する。ホール素子は、電流によって発生した磁界を検出し、電圧に変換する。なお、磁気センサとして、ホール素子の他にＭＲ素子、ＭＩ素子、フラックスゲート等を用いることができる。さらにシャント抵抗を用いた電流センサ等を用いることもできる。
【００３３】
また、第１副集電板１３２と第１集電線１５１と第１電流センサ１６１、第２副集電板１３３と第２集電線１５２と第２電流センサ１６２、第３副集電板１３４と第３集電線１５３と第３電流センサ１６３は、それぞれが、本発明の電流測定手段を構成している。
【００３４】
上記構成の燃料電池システムの作動を説明する。
【００３５】
まず、負荷１１からの電力要求に応じて、燃料電池１０への空気供給量および水素供給量を制御する。具体的には、空気ポンプ２１の回転数を制御して空気供給量を制御し、水素ポンプ３４の回転数を制御して水素供給量を制御する。この際、空気供給量は、予め電圧ばらつきを発生しない供給量に設定する。そして、空気および水素の供給により、燃料電池１０では電気化学反応により発電が起こり、発電した電力は負荷１１に供給される。
【００３６】
負荷１１を通った電流は−極の主集電板１３１に流れ込む。主集電板１３１に流れ込んだ電流は、そのままＭＥＡ１００に流れ込む電流と、第１集電線１５１および第１副集電板１３２を介してＭＥＡ１００に流れ込む電流と、第２集電線１５２および第２副集電板１３３を介してＭＥＡ１００に流れ込む電流と、第３集電線１５３および第３副集電板１３４を介してＭＥＡ１００に流れ込む電流とに分かれる。
【００３７】
そして、第１集電線１５１を流れる電流は、ＭＥＡ１００における空気入口部１１１に近い部位を流れる局所電流（以下、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎという）に相当するため、第１電流センサ１６１によって、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎを検出することができる。
【００３８】
また、第２集電線１５２を流れる電流は、ＭＥＡ１００における水素入口部１２１に近い部位を流れる局所電流（以下、水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎという）に相当するため、第２電流センサ１６２によって、水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎを検出することができる。
【００３９】
さらに、第３集電線１５３を流れる電流は、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位を流れる局所電流（以下、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔという）に相当するため、第３電流センサ１６３によって、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔを検出することができる。
【００４０】
ところで、燃料電池１０に供給される空気への加湿量が低下すると、ＭＥＡ１００の電解質膜における、空気入口部１１１に近い部位が乾燥する。図７は、空気湿度ψａの低下に伴って電解質膜の乾燥が発生した際の乾燥発生部における電流Ｉの経時変化を示すもので、電解質膜における乾燥部位ではプロトン伝導抵抗が増加して電流が低下する。
【００４１】
同様に、燃料電池１０に供給される水素への加湿量が低下すると、ＭＥＡ１００の電解質膜における水素入口部１２１近傍が乾燥し、乾燥部位ではプロトン伝導抵抗が増加し電流が低下する。なお、水素への加湿量の低下に伴って電解質膜の乾燥が発生した際の乾燥発生部における電流の変化は、図７に示した空気湿度ψａ低下の場合と同様となる。
【００４２】
このことから、乾燥が発生しやすい空気入口部１１１近傍や水素入口部１２１近傍の電流Ｉ、すなわち、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎや水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎを測定することにより、燃料電池１０の電解質膜の乾燥状態を診断することが可能である。具体的には、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎや水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎが所定電流値未満の場合は、電解質膜の乾燥部位ありと推定することができる。なお、所定電流値は、電解質膜の乾燥がないときの電流値の９０％程度に設定する。
【００４３】
逆に、空気や水素への加湿量が過剰になった場合、電極の水分過剰な濡れ状態が発生する。その際には、水素出口部１２２近傍に最も液滴が滞留して水分過剰となりやすく、したがってＭＥＡ１００の電極における水素出口部１２２に近い部位で顕著に発生しやすい。水素出口部１２２近傍に水分過剰となりやすい理由としては、水素入口部１２１から水素流路溝１２３を介して水素出口部１２２に水が輸送されることに加え、水素が消費されるため水素流量が低下しており水の排出力が低下していることが挙げられる。図８は、水素出口部１２２の水滴量Ｖｗの増加に伴って電極が水分過剰状態となった際の、水分過剰部の局所電流Ｉの変化を示すもので、水滴量Ｖｗの増加に伴ってガスの透過が阻害されて電池の出力が低下する。
【００４４】
また、水素供給量が発電量に対して不足する場合も、水素出口部１２２近傍から水素不足が発生するため、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流が低下する。図９は、水素供給量Ｑｈが不足した際の、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉの変化を示すもので、水素不足が発生すると、直ちに且つ急激に電流Ｉが低下する。
【００４５】
このことから、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉ、すなわち水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが、所定電流値未満の場合は、水分過剰発生または水素不足発生と推定することができる。なお、所定電流値は、水分過剰状態および水素不足状態の電流値の９０％程度に設定する。
【００４６】
ここで、水分過剰発生時および水素不足発生時は、いずれもＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉが低下するため、電流Ｉの低下要因がいずれであるかを特定する必要がある。
【００４７】
図１０は、水分過剰発生時の、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉの変化と、水素不足発生時の、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉの変化を示すものである。また、図１１は、水分過剰発生時および水素不足発生時の、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉの低下速度（以下、電流低下速度という）を示すものである。なお、本明細書でいう電流低下速度とは、単位時間あたりの電流変化量の絶対値である。図１０、図１１において、実線は水分過剰発生時の特性、破線は水素不足発生時の特性であり、ｔ１は水分過剰や水素不足が発生した時刻である。
【００４８】
図１０、図１１に示すように、水分過剰発生時と比較すると、水素不足発生時の電流Ｉは急激に低下する。このことから、電流低下が発生する際の電流低下速度によって電流Ｉの低下要因を特定することが可能である。具体的には、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが所定電流値未満で、且つ電流低下速度が所定低下速度ｄＩ１（図１１参照）未満の場合は水分過剰発生と推定し、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが所定電流値未満で、且つ電流低下速度が所定低下速度ｄＩ１以上の場合は水素不足発生と推定することができる。なお、所定低下速度ｄＩ１は、１．０（ｍＡ／ＳＥＣ／ｃｍ2）程度に設定する。
【００４９】
次に、燃料電池１０の出力低下要因の診断について、図１２に基づいて説明する。図１２は制御部４０（図１参照）にて実行される制御処理のうち、燃料電池１０の出力低下要因の診断にかかわる部分の流れ図である。
【００５０】
まず、図示しない電流センサによって燃料電池１０から負荷１１に流れている総電流を測定するとともに（ステップ１０１）、第１電流センサ１６１によって空気入口側電流Ｉａ・ｉｎを測定する（ステップ１０２）。次に、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎが第１所定電流値未満である否かを判定する（ステップ１０３）。この「第１所定電流値」は、空気入口部１１１近傍における燃料電池１０の乾燥状態を診断するために予め設定された値である。図１３に示すように、第１所定電流値は燃料電池１０の総電流と関連づけてマップ化されており、ステップ１００で測定した総電流に基づいて求めることができる。
【００５１】
空気入口側電流Ｉａ・ｉｎが第１所定電流値未満であれば（ステップ１０３がＹＥＳ）、電解質膜の乾燥部位ありと診断する（ステップ１０４）。空気入口側電流Ｉａ・ｉｎが第１所定電流値以上であれば（ステップ１０３がＮＯ）、電解質膜の乾燥部位なしと診断する（ステップ１０５）。因みに、ステップ１０４にて電解質膜の乾燥部位ありと診断された場合には、燃料電池１０に供給される空気の湿度ψａが低いと推測されるため、加湿器２２による空気への加湿量を増加する。
【００５２】
次に、第２電流センサ１６２によって水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎを測定する（ステップ１０６）。次に、水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎが第２所定電流値未満であるか否かを判定する（ステップ１０７）。この「第２所定電流値」は、水素入口部１２１近傍における燃料電池１０の乾燥状態を診断するために予め設定された値である。第２所定電流値は、第１所定電流値と同様、燃料電池１０の総電流と関連づけてマップ化されており、ステップ１００で測定した総電流に基づいて求めることができる。
【００５３】
水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎが第２所定電流値未満であれば（ステップ１０７がＹＥＳ）、電解質膜の乾燥部位ありと診断する（ステップ１０８）。水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎが第２所定電流値以上であれば（ステップ１０７がＮＯ）、電解質膜の乾燥部位なしと診断する（ステップ１０９）。因みに、ステップ１０８にて電解質膜の乾燥部位ありと診断された場合には、燃料電池１０に供給される水素への加湿量が少ないと推測されるため、加湿器３３による水素への加湿量を増加する。
【００５４】
次に、第３電流センサ１６３によって水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔを測定する（ステップ１１０）。次に、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが第３所定電流値未満であるか否かを判定する（ステップ１１１）。この「第３所定電流値」は、水素出口部１２２近傍における燃料電池１０の水分過剰状態を診断するために予め設定された値である。第３所定電流値は、第１所定電流値と同様、燃料電池１０の総電流と関連づけてマップ化されており、ステップ１００で測定した総電流に基づいて求めることができる。
【００５５】
水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが第３所定電流値以上であれば（ステップ１１１がＮＯ）、水分過剰なしまたは水素不足なしと診断する（ステップ１１２）。水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが第３所定電流値未満で（ステップ１１１がＹＥＳ）、且つ水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔの電流低下速度が所定低下速度未満の場合は（ステップ１１３がＹＥＳ）、水分過剰状態であると診断する（ステップ１１４）。因みに、ステップ１１４にて水分過剰状態であると診断された場合には、空気や水素への加湿量が過剰、あるいは、水素流量低下による水の排出力低下と推測されるため、加湿器２２による空気への加湿量および加湿器３３による水素への加湿量をともに減少させるとともに、水素流量を増加させる。
【００５６】
また、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが第３所定電流値未満で（ステップ１１１がＹＥＳ）、且つ水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔの電流低下速度が所定低下速度以上の場合は（ステップ１１３がＮＯ）、水素供給量が不足と診断する（ステップ１１５）。因みに、ステップ１１５にて水素供給量が不足と診断された場合には水素流量を増加させる。
【００５７】
上記した本実施形態によれば、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎおよび水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎに基づいて電解質膜の乾燥状態を診断し、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔと水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔの電流低下速度とに基づいて水分過剰や水素不足を診断するため、燃料電池１０の出力低下要因を適確に診断することができる。また、燃料電池１０の出力低下要因を特定することができ、したがって出力低下要因に応じた適確な制御を行うことができる。
【００５８】
（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。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、電流測定手段の構成が異なるものである。
【００５９】
図１４は本第２実施形態の燃料電池システムの構成を示す概念図であり、図１５は本実施形態の燃料電池の斜視図であり、図１６は燃料電池セルの斜視図である。
【００６０】
図１６に示すように、本第２実施形態では、第１集電板１４０に集電部材１７１〜１７４が設けられている。集電部材１７１〜１７４は、棒状の導電性部材からなり、第１集電板１４０の板面から突出するように設けられている。主集電板１３１には第１集電部材１７１が設けられ、第１副集電板１３２には第２集電部材１７２が設けられ、第２副集電板１３３には第３集電部材１７３が設けられ、第３副集電板１３４には第４集電部材１７４が設けられている。第２集電板１７０には、第１集電板１４０の各集電部材１７１〜１７４に対応する部位に貫通孔１７０ａ〜１７０ｄが形成されている。
【００６１】
図１４に示すように、燃料電池１０で発電した電流は各集電部材１７１〜１７４を介して電気負荷１１に流れる。図１４、図１５に示すように、各副集電板１３２、１３３、１３４に設けられた集電部材１７２、１７３、１７４を流れる電流値を測定する電流センサ１６４、１６５、１６６が燃料電池１０の外部に設けられている。各電流センサ１６４〜１６６としては、上記第１実施形態と同様、ホール素子その他の電流センサを用いることができる。
【００６２】
第１集電部材１７２を流れる電流は、ＭＥＡ１００における空気入口側電流Ｉａ・ｉｎに相当するため、第１の電流センサ１６４によって、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎを検出することができる。また、第２の集電部材１７３を流れる電流は、水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎに相当するため、第２電流センサ１６５によって、水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎを検出することができる。さらに、第３集電部材１７４を流れる電流は、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔに相当するため、第３電流センサ１６６によって、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔを検出することができる。
【００６３】
また、第１副集電板１３２と第１集電部材１７２と第１電流センサ１６４、第２副集電板１３３と第２集電部材１７３と第２電流センサ１６５、第３副集電板１３４と第３集電部材１７４と第３電流センサ１６６は、それぞれが、本発明の電流測定手段を構成している。
【００６４】
上記構成の電流測定手段を用いる構成によっても、上記第１実施形態と同様、燃料電池１０の出力低下要因を適確に診断可能にすることが可能となる。
【００６５】
（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。本第３実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池内部が乾燥状態の場合の水分量制御の内容が異なるものである。
【００６６】
図１７は、燃料電池１０の乾燥しやすい部位Ｂである空気入口部１１１近傍において水分状態が変動した場合の発電電流Ｉの変化を示している。図１７に示す例では、燃料電池１０の電流Ｉが所定の基準電流Ｉ1以上となった場合に、燃料電池１０内部が湿潤状態であるとし、燃料電池１０の電流Ｉが基準電流Ｉ1を下回った場合に、燃料電池１０内部が乾燥状態であるとしている。燃料電池１０内部が乾燥状態の場合には、燃料電池１０内部の水分量が少ないほど、燃料電池１０の発電電流Ｉが小さくなる。
【００６７】
図１８は、燃料電池１０の乾燥しやすい部位Ｂである空気入口部１１１近傍において水分状態が変動した場合の発電電流Ｉと基準電流Ｉ1との差である差分電流ΔＩ（＝Ｉ−Ｉ1）の変化を示している。図１８に示すように、燃料電池１０内部が湿潤状態の場合は差分電流ΔＩがゼロ以上となり、燃料電池１０内部が乾燥状態の場合は差分電流ΔＩがゼロを下回る。また、上述のように、燃料電池１０内部の水分量に応じて燃料電池１０の発電電流Ｉが変化するので、差分電流ΔＩの大きさに基づいて燃料電池１０内部の水分状態の程度を推測することができる。すなわち、差分電流ΔＩがマイナスである場合には、差分電流ΔＩの絶対値が大きいほど燃料電池１０内部の水分不足量が大きくなっており、より乾燥していると判断できる。
【００６８】
次に、本実施形態の燃料電池システムの水分量制御を図１９のフローチャートに基づいて説明する。
【００６９】
まず、電流センサにより乾燥部位Ｂの局所電流Ｉを測定し（ステップ２００）、基準電流Ｉ1との差である差分電流ΔＩを演算する（ステップ２０１）。次に、差分電流ΔＩがゼロ未満であるか否かを判定する（ステップ２０２）。この結果、差分電流ΔＩがゼロ以上と判定された場合には、燃料電池１０内部が湿潤状態であると推定できるので、加湿器２２による空気への加湿量をゼロにする（ステップ２０３）。一方、差分電流ΔＩがゼロ未満であると判定された場合には、燃料電池１０内部が乾燥状態であると推定できるので、加湿器２２による燃料電池１０への加湿水量をＫ１×｜ΔＩ｜に制御する（ステップ２０４）。Ｋ１は加湿水量を算出するための係数である。
【００７０】
以上のように、燃料電池１０の局所電流Ｉと基準電流Ｉ1との差である差分電流ΔＩの大きさに基づいて燃料電池１０内部の乾燥状態を推測して加湿水量を制御することで、燃料電池１０内部をより適切な水分状態にすることができる。
【００７１】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本第４実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池内部が水分過剰状態の場合の水分量制御の内容が異なるものである。
【００７２】
図２０は、燃料電池１０の水分過剰となりやすい部位Ｄである水素出口部１２２近傍において水分状態が変動した場合の発電電流Ｉの変化を示している。図２０に示す例では、燃料電池１０の電流Ｉが所定の基準電流Ｉ2以上となった場合に、燃料電池１０内部が水分適正状態であるとし、燃料電池１０の電流Ｉが基準電流Ｉ2を下回った場合に、燃料電池１０内部が水分過剰状態であるとしている。燃料電池１０内部が水分過剰状態である場合には、燃料電池１０内部の水分量が多いほど、燃料電池１０の発電電流Ｉが小さくなる。
【００７３】
図２１は、燃料電池１０の水分過剰となりやすい部位Ｄである水素出口部１２２近傍において水分状態が変動した場合の発電電流Ｉと基準電流Ｉ2との差である差分電流ΔＩ（＝Ｉ−Ｉ2）の変化を示している。図２１に示すように、燃料電池１０内部の水分量が適正状態の場合は差分電流Ｉ2がゼロ以上となり、燃料電池１０内部が水分過剰状態の場合は差分電流ΔＩがゼロを下回る。また、上述のように、燃料電池１０内部の水分量に応じて燃料電池１０の発電電流Ｉが変化するので、差分電流ΔＩの大きさに基づいて燃料電池１０内部の水分状態の程度を推測することができる。すなわち、差分電流ΔＩがマイナスである場合には、差分電流ΔＩの絶対値が大きいほど燃料電池１０内部の水分過剰量がより大きくなっていると判断できる。
【００７４】
次に、本実施形態の燃料電池システムの水分量制御を図２２のフローチャートに基づいて説明する。
【００７５】
まず、電流センサにより水分過剰部位Ｄの局所電流Ｉを測定し（ステップ３００）、基準電流Ｉ2との差である差分電流ΔＩを演算する（ステップ３０１）。次に、差分電流ΔＩがゼロ未満であるか否かを判定する（ステップ３０２）。この結果、差分電流ΔＩがゼロ以上と判定された場合には、燃料電池１０内部が水分適正状態であると推定できるので、水素流量の増加率をゼロにする（ステップ３０３）。一方、差分電流ΔＩがゼロ未満であると判定された場合には、燃料電池１０内部が水分過剰状態であると推定できるので、水素流量の増加率をＫ２×｜ΔＩ｜に制御する（ステップ３０４）。Ｋ２は水素流量増加率を算出するための係数である。
【００７６】
そして、燃料電池１０への水素供給流量を水素必要流量×（１＋流量増加率）に制御する（ステップ３０５）。水素必要流量は、要求電力を発電するために必要とされる水素流量である。このように水素を過剰に供給することで、水素のガス流で水分過剰部位Ｄにおける水分を押し出すことができる。
【００７７】
以上のように、燃料電池１０の局所電流Ｉと基準電流Ｉ2との差である差分電流ΔＩの大きさに基づいて燃料電池１０内部の水分過剰状態を推測して水素供給量を制御することで、燃料電池１０内部をより適切な水分状態にすることができる。
【００７８】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本第５実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池内部の抵抗値に基づいて燃料電池の水分状態を診断する点が異なるものである。
【００７９】
図２３は、燃料電池１０の内部抵抗と内部水分量との関係を示している。図２３に示すように、燃料電池１０の内部水分量が増加するとある段階まで内部抵抗は減少し、内部水分量が減少すると内部抵抗が増加するという関係がある。
【００８０】
したがって、電流センサ１６１、１６２、１６４、１６５で測定した燃料電池１０の乾燥しやすい部位Ｂ、Ｃの局所電流と、セルモニタ１２で測定した燃料電池１０のセル電圧とに基づいて、燃料電池１０の乾燥しやすい部位における局所内部抵抗Ｒ（＝セル電圧／局所電流）を算出し、この局所内部抵抗Ｒに基づいて燃料電池１０内部の乾燥状態を診断することができる。具体的には、局所内部抵抗Ｒが予め設定した基準内部抵抗Ｒ1より小さい場合には、燃料電池１０内部は乾燥状態であると診断する。燃料電池１０内部が乾燥状態であると診断された場合には、燃料電池１０に供給される水素への加湿量が少ないと推測されるため、加湿器３３による水素への加湿量を増加する。
【００８１】
同様に、電流センサ１６３、１６６で測定した燃料電池１０の水分過剰になりやすい部位Ｄの局所電流と、セルモニタ１２で測定した燃料電池１０の電圧とに基づいて、燃料電池１０の水分過剰になりやすい部位における局所内部抵抗Ｒを算出し、この局所内部抵抗Ｒに基づいて燃料電池１０内部の水分過剰状態を診断することができる。具体的には、局所抵抗値Ｒが予め設定した基準内部抵抗より大きい場合には、燃料電池１０内部は水分過剰状態であると診断する。水分過剰状態であると診断された場合には、空気や水素への加湿量が過剰、あるいは、水素流量低下による水の排出力低下と推測されるため、加湿器２２による空気への加湿量および加湿器３３による水素への加湿量をともに減少させるとともに、水素流量を増加させる。
【００８２】
以上の構成によっても、燃料電池１０の出力低下要因を適確に診断することができる。また、燃料電池１０の出力低下要因を特定することができ、したがって出力低下要因に応じた適確な制御を行うことができる。
【００８３】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本第６実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池内部の抵抗値に基づいて燃料電池の乾燥状態の程度を診断し、水分量制御をする点が異なるものである。
【００８４】
図２４は、燃料電池１０の乾燥しやすい部位Ｂである空気入口部１１１近傍において水分状態が変動した場合の局所抵抗値Ｒの変化を示している。図２４に示す例では、燃料電池１０の局所内部抵抗Ｒが所定の基準内部抵抗Ｒ1を上回った場合に、燃料電池１０内部が乾燥状態であるとし、燃料電池１０の局所内部抵抗Ｒが基準内部抵抗Ｒ1以下となった場合に、燃料電池１０内部が湿潤状態であるとしている。燃料電池１０内部が乾燥状態の場合には、燃料電池１０内部の水分量が少ないほど、燃料電池１０の局所内部抵抗Ｒが大きくなる。
【００８５】
図２５は、燃料電池１０の乾燥しやすい部位Ｂである空気入口部１１１近傍において水分状態が変動した場合の局所内部抵抗Ｒと基準内部抵抗Ｒ1との差である差分抵抗ΔＲ（＝Ｒ−Ｒ1）の変化を示している。図１８に示すように、燃料電池１０内部が湿潤状態の場合は差分抵抗ΔＲがゼロ以下となり、燃料電池１０内部が乾燥状態の場合は差分抵抗ΔＲがゼロを上回る。また、上述のように、燃料電池１０内部の水分量に応じて燃料電池１０の局所内部抵抗Ｒが変化するので、差分抵抗ΔＲの大きさに基づいて燃料電池１０内部の水分状態の程度を推測することができる。すなわち、差分抵抗ΔＲがプラスである場合には、差分抵抗ΔＲの絶対値が大きいほど燃料電池１０内部の水分不足量が大きくなっており、より乾燥していると判断できる。
【００８６】
次に、本実施形態の燃料電池システムの水分量制御を図２６のフローチャートに基づいて説明する。
【００８７】
まず、電流センサにより乾燥部位Ｂの局所電流を測定し（ステップ４００）、セルモニタ１２によりセル電圧を測定し（ステップ４０１）、セル電圧を局所電流で除して局所内部抵抗Ｒを算出する（ステップ４０２）。次に、局所抵抗Ｒと基準内部抵抗Ｒ1との差である差分抵抗ΔＲを演算する（ステップ４０３）。
【００８８】
次に、差分抵抗ΔＲがゼロを上回っているか否かを判定する（ステップ４０４）。この結果、差分抵抗ΔＲがゼロ以下と判定された場合には、燃料電池１０内部が湿潤状態であると推定できるので、加湿器２２による空気への加湿量をゼロにする（ステップ４０５）。一方、差分電流ΔＩがゼロを上回っていると判定された場合には、燃料電池１０内部が乾燥状態であると推定できるので、加湿器２２による燃料電池１０への加湿水量をＫ３×｜ΔＲ｜に制御する（ステップ４０６）。Ｋ３は加湿水量を算出するための係数である。
【００８９】
以上のように、燃料電池１０の局所抵抗Ｉと基準内部抵抗Ｒ1との差である差分抵抗ΔＲの大きさに基づいて燃料電池１０内部の乾燥状態を推測して加湿水量を制御することで、燃料電池１０内部をより適切な水分状態にすることができる。
【００９０】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について説明する。本第７実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池内部の抵抗値に基づいて燃料電池の水分過剰状態の程度を診断し、水分量制御をする点が異なるものである。
【００９１】
図２７は、燃料電池１０の水分過剰となりやすい部位Ｄである水素出口部１２２近傍において水分状態が変動した場合の局所内部抵抗Ｒの変化を示している。図２７に示す例では、燃料電池１０の局所内部抵抗Ｒが所定の基準内部抵抗Ｒ2以下となった場合に、燃料電池１０内部が水分適正状態であるとし、燃料電池１０の局所内部抵抗Ｒが所定の基準内部抵抗Ｒ2を上回った場合に、燃料電池１０内部が水分過剰状態であるとしている。燃料電池１０内部が水分過剰状態である場合には、燃料電池１０内部の水分量が多いほど、燃料電池１０の局所内部抵抗Ｒが大きくなる。
【００９２】
図２８は、燃料電池１０の水分過剰となりやすい部位Ｄである水素出口部１２２近傍において水分状態が変動した場合の局所内部抵抗Ｒと基準内部抵抗Ｒ2との差である差分抵抗ΔＲ（＝Ｒ−Ｒ2）の変化を示している。図２８に示すように、燃料電池１０内部の水分量が適正状態の場合は差分抵抗Ｒ2がゼロ以下となり、燃料電池１０内部が水分過剰状態の場合は差分抵抗Ｒ2がゼロを上回る。また、上述のように、燃料電池１０内部の水分量に応じて燃料電池１０の局所内部抵抗Ｒが変化するので、差分抵抗ΔＲの大きさに基づいて燃料電池１０内部の水分状態の程度を推測することができる。すなわち、差分抵抗ΔＲがプラスである場合には、差分抵抗ΔＲの絶対値が大きいほど燃料電池１０内部の水分過剰量がより大きくなっていると判断できる。
【００９３】
次に、本実施形態の燃料電池システムの水分量制御を図２９のフローチャートに基づいて説明する。
【００９４】
まず、電流センサにより水分過剰部位Ｄの局所電流Ｉを測定し（ステップ５００）、セルモニタ１２によりセル電圧を測定し（ステップ５０１）、セル電圧を局所電流で除して局所内部抵抗Ｒを算出する（ステップ５０２）。次に、局所抵抗Ｒと基準内部抵抗Ｒ2との差である差分抵抗ΔＲを演算する（ステップ５０３）。
【００９５】
次に、差分抵抗ΔＲがゼロを上回っている否かを判定する（ステップ５０４）。この結果、差分抵抗ΔＲがゼロ以下と判定された場合には、燃料電池１０内部が水分適正状態であると推定できるので、水素流量の増加率をゼロにする（ステップ５０５）。一方、差分抵抗ΔＲがゼロを上回っている判定された場合には、燃料電池１０内部が水分過剰状態であると推定できるので、水素流量の増加率をＫ４×｜ΔＩ｜に制御する（ステップ５０６）。Ｋ４は水素流量増加率を算出するための係数である。
【００９６】
そして、燃料電池１０への水素供給流量を水素必要流量×（１＋流量増加率）に制御する（ステップ５０７）。水素必要流量は、要求電力を発電するために必要とされる水素流量である。このように水素を過剰に供給することで、水素のガス流で水分過剰部位Ｄにおける水分を押し出すことができる。
【００９７】
以上のように、燃料電池１０の局所内部抵抗Ｒと基準内部抵抗Ｒ2との差である差分抵抗ΔＲの大きさに基づいて燃料電池１０内部の水分過剰状態を推測して水素供給量を制御することで、燃料電池１０内部をより適切な水分状態にすることができる。
【００９８】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、燃料電池として固体高分子型電解質膜を備えるものを用いたが、これに限らず、本発明は例えば無機材料系の電解質を備える燃料電池にも適用可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１０…燃料電池、１２…セルモニタ、４０…制御部（診断手段）、１６１〜１６６…電流測定手段の主要部をなす電流センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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