(57)【要約】【課題】簡素なシステム構成によってセル面内における燃料ガスの部分欠乏を把握可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気に含まれる酸素との電気化学反応により電気エネルギを出力するセル１０ａを複数積層して構成される固体高分子型の燃料電池１０を備える。また、燃料電池システム１は、燃料電池１０のセル面内における少なくとも一箇所の局所部位を流れる局所電流を測定可能な局所電流測定装置６０と、セル面内の一部において水素が欠乏した部分欠乏状態である否かを診断する制御装置５０と、を備える。そして、制御装置５０は、セル面内の一部において水素が欠乏した部分欠乏状態であると診断する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力するセル（１０ａ）を複数積層して構成される固体高分子型の燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池のセル面内における少なくとも一箇所の局所部位を流れる局所電流を測定可能な局所電流測定装置（６０）と、
前記局所電流測定装置の測定結果に負電流が含まれる場合に、セル面内の一部において前記燃料ガスが欠乏した部分欠乏状態であると診断する部分欠乏診断部（５０ａ）と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス量調整部（３３）と、
前記燃料ガス量調整部を制御するガス量制御部（５０ｂ）と、を備え、
前記ガス量制御部は、前記部分欠乏診断部にて前記部分欠乏状態であると診断された場合に、前記燃料ガスの供給量が増加するように前記燃料ガス量調整部を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガスの排出経路を開閉する排出開閉部（３４）と、
前記排出開閉部を制御する開閉制御部（５０ｃ）と、を備え、
前記開閉制御部は、前記部分欠乏診断部にて前記部分欠乏状態であると診断された場合に、前記燃料ガスの排出経路が開放されるように前記排出開閉部を制御する請求項１または２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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力するセルを複数積層して構成される固体高分子型の燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池に対して高周波の交流信号および低周波数の交流信号を印加した際のインピーダンスに基づいて、燃料電池の状態を把握する技術が知られている（例えば、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２０１４−２０７０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、、例えば、燃料電池のセルの内部に形成された燃料ガス流路の一部が生成水の滞留によって閉塞すると、セル面内の一部において燃料ガスが欠乏した状態（すなわち、部分欠乏状態）となってしまうことがある。セル面内において燃料ガスの部分欠乏が生ずると、燃料電池の出力が低下してしまうことから好ましくない。
【０００５】
これに対して、本発明者らは、セル面内における燃料ガスの部分欠乏について、燃料電池に対して交流信号を印加した際のインピーダンスを測定し、当該インピーダンスを解析することによって診断することを検討した。
【０００６】
しかしながら、燃料電池のインピーダンスを測定したり、解析したりするためには、インピーダンスの測定機器、インピーダンスの解析機器が必要となり、燃料電池システムのシステム構成が著しく複雑となってしまう。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、簡素なシステム構成によってセル面内における燃料ガスの部分欠乏を把握可能な燃料電池システムを提供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、本発明者らは、セル面内において燃料ガスの部分欠乏が生ずる際の特性について調査研究を重ねた。この結果、セル面内において燃料ガスの部分欠乏が生じた際には、セル面内の局所部位に負電流が生ずることが判った。なお、負電流は、燃料ガスの欠乏が生じていない場合の電流の向きと反対方向に流れ電流を意味している。
【０００９】
上述の知見を鑑み、請求項１に記載の発明は、
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力するセル（１０ａ）を複数積層して構成される固体高分子型の燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
燃料電池のセル面内における少なくとも一箇所の局所部位を流れる局所電流を測定可能な局所電流測定装置（６０）と、
局所電流測定装置の測定結果に負電流が含まれる場合に、セル面内の一部において燃料ガスが欠乏した部分欠乏状態であると診断する部分欠乏診断部（５０ａ）と、を備える。
【００１０】
これによれば、燃料電池のインピーダンスの測定機器や解析機器が不要となるので、簡素なシステム構成によってセル面内における燃料ガスの部分欠乏を把握することが可能となる。
【００１１】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池のセルの模式的な断面図である。
【図３】燃料電池のセルの内部構造の模式図である。
【図４】局所電流測定装置の概略構成図である。
【図５】セル面内において水素の部分欠乏が生じていない場合のセル内部における電気化学反応を説明するための説明図である。
【図６】セル面内において水素の部分欠乏が生じている場合のセル内部における電気化学反応を説明するための説明図である。
【図７】セル面内において水素の部分欠乏が生じている場合のセル内部における局所電流の変化を説明するための説明図である。
【図８】燃料電池システムの制御装置が実行する診断処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】燃料電池システムの制御装置が実行する回復処理の流れ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】
【００１３】
本発明の一実施形態について図１〜図９を参照して説明する。本実施形態では、本発明の燃料電池システム１を、電気自動車の一種である燃料電池自動車に適用した例について説明する。
【００１４】
燃料電池システム１は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（例えば、空気）との電気化学反応を利用して電気エネルギを出力する燃料電池１０を備える。本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子型の燃料電池（PEFC：Proton Exchange membrane Fuel Cell）を採用している。燃料電池１０は、発電により発生した直流電流を、図示しないＤＣ−ＤＣコンバータを介して、車両走行用の電動モータや二次電池といった電気負荷に供給する。
【００１５】
燃料電池１０は、基本単位となるセル１０ａを複数積層配置したスタック構造となっている。複数のセル１０ａのうち、隣り合うセル１０ａは、互いに電気的に直列に接続されている。
【００１６】
図２に示すように、セル１０ａは、電解質膜１０１の両側を一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂで挟んで構成される膜電極接合体１００、膜電極接合体１００の両側に配置された一対のガス拡散層１０３ａ、１０３ｂ、これらを狭持するセパレータ１１０を備える。
【００１７】
電解質膜１０１は、含水性を有する炭化フッ素系や炭化水素系などの高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜で構成されている。また、一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ電極を構成している。具体的には、一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂは、燃料極を構成する燃料側触媒層１０２ａ、および空気極を構成する空気側触媒層１０２ｂで構成されている。
【００１８】
図３に示すように、各触媒層１０２ａ、１０２ｂは、白金粒子等の触媒作用を発揮する物質１０２ｃ、当該物質１０２ｃを担持する担持カーボン１０２ｄ、担持カーボン１０２ｄを被覆するアイオノマー（すなわち、電解質ポリマー）１０２ｅで構成されている。
【００１９】
ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスを各触媒層１０２ａ、１０２ｂへ拡散させるものである。ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、カーボンペーパーやカーボンクロス等のガス透過性および電子伝導性を有する多孔質部材で構成されている。
【００２０】
セパレータ１１０は、例えば、導電性を有するカーボン製の基材で構成されている。各セパレータ１１０には、燃料側触媒層１０２ａに対向する部位に、燃料ガスが流れる水素流路１１１が形成され、空気側触媒層１０２ｂに対向する部位に、酸化剤ガスである空気が流れる空気流路１１２が形成されている。
【００２１】
各セル１０ａは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると、以下の式１、式２に示す水素と酸素との電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
【００２２】
（燃料極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                  ・・・（式１）
（空気極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ     ・・・（式２）
燃料電池１０は、図示しないが、双方向に電力供給可能なＤＣ−ＤＣコンバータを介して、各種電気負荷に電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池１０から各種電気負荷、あるいは、各種電気負荷から燃料電池１０への電力の流れを制御する電力制御装置を構成している。
【００２３】
図１に戻り、本実施形態の燃料電池システム１には、複数のセル１０ａのうち、一部のセル１０ａのセル面内における少なくとも一箇所の局所部位を流れる電流を検出可能な局所電流測定装置６０が設けられている。
【００２４】
本実施形態の局所電流測定装置６０は、図４に示すように、複数のセル１０ａのうち、一部のセル１０ａに隣接配置された測定板６１、電位差検出回路６２、および電流測定回路６３を含んで構成されている。
【００２５】
本実施形態の測定板６１には、セル面内における局所電流の分布を測定可能なように、複数の測定部６１０がマトリクス状に設定されている。複数の測定部６１０は、図示しない絶縁材によって互いに電気的に絶縁されている。
【００２６】
複数の測定部６１０それぞれは、図示しないが、測定板６１の両側に配置された一対の電極、および一対の電極に挟持された抵抗体で構成されている。抵抗体は、予め定めた電気抵抗値を有する。
【００２７】
電位差検出回路６２は、複数の測定部６１０を流れる電流によって生ずる電位差を検出する回路である。具体的には、電位差検出回路６２は、複数の測定部６１０それぞれの一対の電極間における電位差を検出するように構成されている。
【００２８】
電流測定回路６３は、複数の測定部６１０を流れる局所電流を測定する回路である。具体的には、電流測定回路６３は、電位差検出回路６２で検出された複数の測定部６１０における一対の電極間の電位差、および測定板６１の抵抗体の電気抵抗値に基づいて、セル面内を流れる局所電流を算出するように構成されている。
【００２９】
図１に戻り、燃料電池１０には、各セル１０ａの空気流路１１２に酸化剤ガスである空気を供給する空気入口部１１ａ、各セル１０ａの空気流路１１２から生成水や不純物を空気と共に排出する空気出口部１１ｂが設けられている。そして、空気入口部１１ａには、空気供給配管２０が接続されている。また、空気出口部１１ｂには、空気排出配管２１が接続されている。
【００３０】
空気供給配管２０には、その最上流部に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２２が設けられている。空気ポンプ２２は、空気を圧送する圧縮機構と圧縮機構を駆動する電動モータからなる電動ポンプである。
【００３１】
そして、空気供給配管２０における空気ポンプ２２と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される空気を加湿する加湿器２３が設けられている。本実施形態の加湿器２３は、空気排出配管２１を流れる空気に含まれる水分を利用して、燃料電池１０に供給される空気を加湿するように構成されている。
【００３２】
また、空気排出配管２１には、燃料電池１０内部に存する生成水や不純物等を空気とともに外部へ排出するための電磁弁２４が設けられている。電磁弁２４は、空気排出配管２１のうち空気が排出される空気排出路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。本実施形態の燃料電池システム１は、電磁弁２４の絞り開度を調整することで、燃料電池１０の空気極側の背圧を調整可能となっている。本実施形態では、空気ポンプ２２および電磁弁２４が、燃料電池１０における酸化剤ガスのガス量を調整する酸化剤ガス量調整部を構成している。
【００３３】
また、燃料電池１０には、各セル１０ａの水素流路１１１に燃料ガスを供給する水素入口部１２ａ、各セル１０ａの水素流路１１１から未反応水素等を排出させる水素出口部１２ｂが設けられている。そして、水素入口部１２ａには、水素供給配管３０が接続されている。また、水素出口部１２ｂには、水素排出配管３１が接続されている。
【００３４】
水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３２が設けられている。そして、水素供給配管３０における高圧水素タンク３２と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に対して水素を噴射するインジェクタ３３が設けられている。インジェクタ３３は、水素供給配管３０のうち水素供給流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。本実施形態では、インジェクタ３３が、燃料電池１０への燃料ガスである水素の供給量を調整する燃料ガス量調整部を構成している。
【００３５】
また、水素排出配管３１には、微量な未反応水素等を外部へ排出するための排気弁３４が設けられている。排気弁３４は、燃料ガスである水素の排出経路を開閉する排出開閉部を構成している。
【００３６】
ここで、本実施形態の燃料電池１０には、燃料電池１０の温度を調整する冷却系として、不凍液等で構成される冷却水が循環する冷却水循環回路４０が接続されている。冷却水循環回路４０には、冷却水を循環させる水ポンプ４１、燃料電池１０通過後の冷却水を外気と熱交換させて放熱する放熱器４２が設けられている。放熱器４２は、電動ファン４３によって送風される外気により冷却水を冷却する。
【００３７】
また、冷却水循環回路４０には、放熱器４２をバイパスして水ポンプ４１の入口と燃料電池１０の水出口とを接続するバイパス流路４４が設けられている。さらに、バイパス流路４４および放熱器４２の水出口のうちいずれか一方を水ポンプ４１の入口に接続する三方弁４５が設けられている。
【００３８】
次に、燃料電池システム１の電子制御部を構成する制御装置５０について説明する。制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる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。制御装置５０は、記憶部に記憶された制御プログラムに基づいて、各種演算、処理を行う。
【００３９】
制御装置５０は、出力側に接続された空気ポンプ２２、電磁弁２４、インジェクタ３３、排気弁３４、水ポンプ４１等の各種制御機器の作動を制御する。また、制御装置５０は、その入力側に局所電流測定装置６０を含む各種センサ群が接続されている。
【００４０】
本実施形態の制御装置５０は、局所電流測定装置６０の測定結果に基づいて、セル面内の一部において燃料ガスである水素が欠乏した部分欠乏状態となっているか否かを診断する診断処理を実行する構成となっている。
【００４１】
また、本実施形態の制御装置５０は、部分欠乏状態となっていると診断された際に、インジェクタ３３および排気弁３４を制御して、部分欠乏状態を正常な状態に回復させる回復処理を実行する構成となっている。
【００４２】
本実施形態の制御装置５０は、その出力側に接続された各種制御機器を制御するハードウェアおよびソフトウェアで構成される複数の制御部を集約した装置である。制御装置５０には、例えば、セル面内の一部が部分欠乏状態であるか否かを診断する部分欠乏診断部５０ａ、燃料ガス量調整部であるインジェクタ３３を制御するガス量制御部５０ｂ、排出開閉部である排気弁３４を制御する開閉制御部５０ｃ等が集約されている。
【００４３】
ここで、燃料電池１０の状態は、燃料電池１０に対して所定の交流信号を印加した際のインピーダンスと相関性を有することが多い。このため、セル面内における水素の部分欠乏が生じているか否かを燃料電池１０のインピーダンスに基づいて診断することが考えられる。
【００４４】
しかしながら、燃料電池１０のインピーダンスを測定したり、解析したりするためには、インピーダンスの測定機器、インピーダンスの解析機器が必要となり、燃料電池システム１のシステム構成が著しく複雑となってしまう。
【００４５】
そこで、本発明者らは、簡素なシステム構成でセル面内に水素の部分欠乏が生じているか否かの診断を実現すべく、水素の部分欠乏が生ずる際の特性について調査研究を重ねた。この結果、セル面内において水素の部分欠乏が生ずる際には、セル面内の局所部位に負電流が生ずることが判った。
【００４６】
以下、セル面内において水素の部分欠乏が生ずる際にセル面内の局所部位に負電流が生ずる要因について、図５、図６を参照して説明する。
【００４７】
セル面内に水素の部分欠乏が生じていない正常な状態となる場合、図５に示すように、セル１０ａの内部では、前述の式１、式２で示す電気化学反応が生ずる。この際、電子（ｅ−）は、外部回路ＥＣを介して、燃料極側から空気極側へと移動する。これにより、電流は、外部回路ＥＣを介して空気極側から燃料極側へ流れることになる。
【００４８】
一方、セル面内において水素が局所的に欠乏した部分欠乏状態となる場合、水素が欠乏した局所部位では、水素が不足することで、図６に示すように、空気極側においてカーボン酸化反応が生ずる。
【００４９】
空気極側におけるカーボン酸化反応は、以下の式３、式４に示すように、空気極側において、空気側触媒層１０２ｂの担持カーボン１０２ｄが酸化して、二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される化学反応である。特に、カーボン酸化反応は、空気側触媒層１０２ｂの劣化を伴う不可逆反応であり、燃料電池１０の寿命を縮める要因となる。
【００５０】
（燃料極側）２Ｈ＋＋ｅ−→Ｈ２                  ・・・（式３）
（空気極側）２Ｈ２Ｏ＋Ｃ→４Ｈ＋＋ＣＯ２＋ｅ−   ・・・（式４）
また、水素が欠乏した局所部位では、カーボン酸化反応によって、電子（ｅ−）が、外部回路ＥＣを介して、空気極側から燃料極側へと移動する。これにより、電流は、外部回路ＥＣを介して燃料極側から空気極側へ流れることになる。すなわち、水素が欠乏した局所部位では、水素が欠乏していない正常な部位を流れる電流とは反対に流れる電流が流れる。
【００５１】
ここで、図７は、セル面内において水素の部分欠乏を発生させるために、発電状態のセル１０ａの負荷電流を徐々に増大させた際のセル１０ａの内部の局所電流の測定結果を示すグラフである。
【００５２】
図７の上段に示すグラフは、発電状態のセル１０ａの負荷電流を示している。また、図７の中段に示すグラフは、セル１０ａの負荷電流を徐々に増大させた際のセル１０ａの局所電流の変化を示している。さらに、図７の下段に示すグラフは、セル１０ａの負荷電流を徐々に増大させた際のセル電圧、および空気極側におけるＣＯ２の濃度の変化を示している。
【００５３】
図７に示すように、発電状態のセル１０ａの負荷電流を増加させると、セル面内の一部に負電流が生ずると共に、空気極側にＣＯ２が生ずる。本発明者らの調査によれば、負電流は、図７の紙面右側に示すように、蛇行した水素流路１１１の曲り部分や、水素流路１１１の最下流側に対応する部位で生じ易い傾向がある。
【００５４】
これらの知見を踏まえて、制御装置５０は、局所電流測定装置６０の測定結果に負電流が含まれる場合に、セル面内の一部における水素が欠乏した部分欠乏状態であると診断する診断処理を実行する。
【００５５】
次に、本実施形態の燃料電池システム１の制御装置５０が実行する診断処理について、図８のフローチャートを参照して説明する。なお、図８に示す制御ルーチンは、燃料電池１０の運転時等において、周期的または不定期に実行される。
【００５６】
制御装置５０は、図８に示すように、まず、ステップＳ１０において、局所電流測定装置６０によってセル面内の局所電流を測定する。具体的には、ステップＳ１０の処理では、局所電流測定装置６０においてマトリックス状に配置された複数の測定部６１０を流れる局所電流を測定する。
【００５７】
続いて、制御装置５０は、ステップＳ１２において、局所電流測定装置６０によって負電流が検知されたか否かを判定する。すなわち、ステップＳ１２の処理では、局所電流測定装置６０の測定結果に負電流が含まれているか否かを判定する。
【００５８】
ステップＳ１２の判定処理の結果、負電流が検知されていないと判定された場合、セル面内において水素の部分欠乏が生じていないと考えられるので、制御装置５０は、診断処理を終了する。
【００５９】
一方、ステップＳ１２の判定処理の結果、負電流が検知されたと判定された場合、制御装置５０は、ステップＳ１４において、セル面内の一部に水素が欠乏した部分欠乏状態であると診断する。そして、制御装置５０は、ステップＳ１６において、水素の部分欠乏状態から正常な状態に回復させる回復処理を実行する。
【００６０】
本実施形態の回復処理の詳細については、図９に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図９に示すフローチャートは、図８のステップＳ１６に示す回復処理の流れを示している。
【００６１】
図９に示すように、制御装置５０は、まず、ステップＳ１００において、水素の供給量を増加させる。制御装置５０は、例えば、水素流路１１１における水素の圧力が所定の圧力以上となるように、インジェクタ３３を制御する。水素の供給量の増加によって水素流路１１１における水素の圧力が高くなると、燃料電池１０の各セル１０ａの局所部位にも水素が供給されることで、水素の部分欠乏状態を正常な状態に回復し易くなる。
【００６２】
続いて、制御装置５０は、ステップＳ１２０において、図８のステップＳ１０と同様に、局所電流測定装置６０によってセル面内の局所電流を測定する。そして、制御装置５０は、ステップＳ１４０において、図８のステップＳ１２と同様に、局所電流測定装置６０によって負電流が検知されたか否かを判定する。
【００６３】
ステップＳ１４０の判定処理の結果、負電流が検知されていないと判定された場合、水素の部分欠乏状態が正常な状態に回復したと考えられるので、制御装置５０は、回復処理を終了する。
【００６４】
一方、ステップＳ１４０の判定処理の結果、負電流が検知されたと判定された場合、制御装置５０は、ステップＳ１６０において、予め定めた時間（例えば、１００ｍｓｅｃ）、水素の排気弁３４を開放する。水素の排気弁３４が開放されると、水素の部分欠乏の発生要因となる水素流路１１１に滞留した水や、空気極側から透過した窒素等が外部に排出されることで、水素の部分欠乏状態を正常な状態に回復し易くなる。なお、ステップＳ１６０の処理では、排気弁３４を開放した後、水素流路１１１における水素の圧力が所定の圧力以上となるように、インジェクタ３３が制御される。
【００６５】
続いて、制御装置５０は、ステップＳ１８０において、図８のステップＳ１０と同様に、局所電流測定装置６０によってセル面内の局所電流を測定する。そして、制御装置５０は、ステップＳ２００において、図８のステップＳ１２と同様に、局所電流測定装置６０によって負電流が検知されたか否かを判定する。
【００６６】
ステップＳ２００の判定処理の結果、負電流が検知されていないと判定された場合、水素の部分欠乏状態が正常な状態に回復したと考えられるので、制御装置５０は、回復処理を終了する。
【００６７】
一方、ステップＳ１４０の判定処理の結果、負電流が検知されたと判定された場合、制御装置５０は、ステップＳ１６０に戻り、再び排気弁３４を開放する。なお、回復処理を継続しても、水素の部分欠乏状態が正常な状態に回復しない場合は、回復処理を終了すると共に、燃料電池１０の運転を停止させることが望ましい。
【００６８】
以上説明した本実施形態の燃料電池システム１は、セル面内の局所部位を流れる局所電流を測定する局所電流測定装置６０の測定結果に負電流が含まれている場合、セル面の一部において燃料ガスである水素が欠乏した部分欠乏状態であると診断する構成となっている。
【００６９】
これによれば、燃料電池１０のインピーダンスの測定機器（交流信号を印加する回路、高度な電流制御機器）や解析機器（例えば、分解能が高いＡＤ変換回路、フィルタリング回路）が不要となる。また、本実施形態の燃料電池システム１では、インピーダンスの測定時に必要とされていたノイズ対策（増幅回路やフィルタリング回路）が不要となる。
【００７０】
従って、本実施形態の燃料電池システム１では、簡素なシステム構成によってセル面における燃料ガスである水素の部分欠乏を把握することができる。
【００７１】
また、本実施形態の燃料電池システム１は、水素の部分欠乏が生じた際に、水素の部分欠乏状態から正常な状態に回復させる回復処理を実行する構成となっている。
【００７２】
具体的には、本実施形態の制御装置５０は、水素の部分欠乏状態であると診断された場合、燃料ガスである水素の供給量が増加するように、インジェクタ３３を制御する構成となっている。このように、水素の部分欠乏状態であると診断された場合に、水素の供給量を増加させる構成とすれば、セル面内において水素が不足している部位にも水素が供給され易くなるので、水素の部分欠乏状態を正常な状態に回復させることが可能となる。
【００７３】
また、本実施形態の制御装置５０は、水素の供給量を増加させても、水素の部分欠乏状態が維持される場合、燃料電池１０における水素の排出経路が所定時間開放されるように、排気弁３４を制御する構成となっている。
【００７４】
このように、水素の部分欠乏状態であると診断された場合に、水素の排出経路を開放させる構成とすれば、水素の部分欠乏の発生要因となる窒素、水、異物等が外部に排出され易くなるので、水素の部分欠乏状態を正常な状態に回復させることが可能となる。
【００７５】
ここで、本実施形態の燃料電池システム１では、水素の部分欠乏状態を正常な状態に回復させる処理として、水素の供給量増加および排気弁３４の開放を実施している。
【００７６】
水素の供給量増加は、排気弁３４の開放と異なり、水素および空気といった反応ガスの供給量が減少しない処理であるため、排気弁３４を開放させる場合に比べて、電力供給対象の作動が不安定になり難い。
【００７７】
このことを考慮して、本実施形態の燃料電池システム１は、回復処理において、水素の供給量増加、排気弁３４の開放の順に実施する構成となっている。これによれば、回復処理を実行することによって、電力供給対象の作動が不安定となる等の不具合を抑制することができる。
【００７８】
（他の実施形態）
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。
【００７９】
上述の実施形態では、本発明の燃料電池システム１を燃料電池自動車に適用した例について説明したが、これに限定されない。本発明の燃料電池システム１は、燃料電池自動車に限らず、例えば、家屋や工場等に供される定置型の発電装置にも適用することができる。
【００８０】
上述の実施形態では、セル面内の複数の局所部位を流れる局所電流を測定可能な局所電流測定装置６０を例示したが、これに限定されない。局所電流測定装置６０は、セル面内のうち、少なくとも一箇所の局所部位を検出可能な装置で構成されていればよい。なお、負電流は、水素流路１１１の曲り部分や、水素流路１１１の最下流側に対応する部位で生じ易い傾向がある。このため、局所電流測定装置６０としては、水素流路１１１の曲り部分や、水素流路１１１の最下流側に対応する部位の局所電流を測定可能な装置を採用することが望ましい。
【００８１】
また、上述の実施形態では、測定部６１０の抵抗体の電気抵抗値、および測定部６１０の一対の電極間の電位差に基づいて局所電流を測定する局所電流測定装置６０を例示したが、これに限定されない。局所電流測定装置６０は、例えば、ホール素子を利用した磁気型の電流センサで構成されていてもよい。
【００８２】
上述の実施形態では、回復処理において、水素の供給量増加および排気弁３４の開放といった異なる処理を実行する例について説明したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、水素の供給量増加および排気弁３４の開放のうち、一部の処理だけを実行する構成となっていてもよい。
【００８３】
また、上述の実施形態の如く、セル面内の局所部位に水素が欠乏したと診断された際に、水素の部分欠乏状態を回復させる回復処理を実行することが望ましいが、これに限定されない。燃料電池システム１は、セル面内の局所部位に水素が欠乏したと診断された際に、回復処理ではなく、例えば、水素の部分欠乏状態をユーザ等に報知する処理を実行する構成となっていてもよい。
【００８４】
上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００８５】
上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。
【００８６】
上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。
【００８７】
（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、燃料電池システムは、局所電流測定装置の測定結果に負電流が含まれる場合に、セル面内の一部において燃料ガスが欠乏した部分欠乏状態であると診断する構成となっている。
【００８８】
また、第２の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池への燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス量調整部と、燃料ガス量調整部を制御するガス量制御部と、を備える。そして、ガス量制御部は、部分欠乏診断部にて部分欠乏状態であると診断された場合に、燃料ガスの供給量が増加するように燃料ガス量調整部を制御するように構成されている。
【００８９】
このように、部分欠乏状態であると診断された場合に、燃料ガスの供給量を増加させる構成とすれば、セル面内において燃料ガスが不足している部位にも燃料ガスが供給され易くなるので、燃料ガスの部分欠乏状態を正常な状態に回復させることが可能となる。
【００９０】
また、第３の観点によれば、燃料電池システムは、燃料ガスの排出経路を開閉する排出開閉部と、排出開閉部を制御する開閉制御部と、を備える。そして、開閉制御部は、部分欠乏診断部にて部分欠乏状態であると診断された場合に、燃料ガスの排出経路が開放されるように排出開閉部を制御するように構成されている。
【００９１】
このように、部分欠乏状態であると診断された場合に、燃料ガスの排出経路を開放させる構成とすれば、燃料ガスの部分欠乏の発生要因となる窒素、水、異物等が外部に排出され易くなるので、燃料ガスの部分欠乏状態を正常な状態に回復させることが可能となる。
【符号の説明】
【００９２】
１０      燃料電池
１０ａ    セル
５０      制御装置
５０ａ    部分欠乏診断部
６０      局所電流測定装置
【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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