(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含む酸化剤と水素を含む燃料を電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池セル（１０ａ）を複数積層された燃料電池（１０）の状態を診断する診断装置であって、
前記燃料電池の出力電流に対して交流電流を重畳させる信号重畳手段（５１０）と、
前記燃料電池セルから出力される電圧を前記燃料電池セル毎に検出する第１電圧検出手段（５４）と、
前記燃料電池から出力される電圧を検出する第２電圧検出手段（５２ａ）と、
前記複数の燃料電池セルに流れる電流を求める電流検出手段（５２ｂ）と、
前記電流検出手段により検出された電流と前記第１電圧検出手段により検出された電圧とに基づいて、前記複数の燃料電池セルのうち任意の燃料電池セルについて前記交流電流に対する低周波のインピーダンスを算出する第１算出手段（５２０）と、
前記電流検出手段により検出される電流と前記第１、第２の電圧検出手段により検出された電圧とに基づいて、前記交流電流に対する前記燃料電池の全体の低周波のインピーダンス、或いは前記複数の燃料電池セルのうち前記水素の欠乏が生じ難い燃料電池セルとして予め選択された基準セルについて前記交流電流に対する低周波のインピーダンスを算出し、この算出されるインピーダンスに基づいて基準インピーダンスを算出する第２算出手段（Ｓ１００）と、
前記第１算出手段により算出されたインピーダンスの絶対値が前記基準インピーダンスの絶対値よりも大きいか否かを判定する第１判定手段（Ｓ１１０）と、を備え、
前記第１算出手段における前記低周波の周波数は、前記第２算出手段における前記低周波の周波数と同一であり、
前記第１算出手段により算出されたインピーダンスの絶対値が前記基準インピーダンスの絶対値よりも大きいと前記第１判定手段が判定した場合には、前記任意の燃料電池セルは前記水素が欠乏している状態であると診断することを特徴とする診断装置。
【請求項２】
前記燃料電池に供給される燃料の供給量を調整する第１調整手段（３３，３４）と、
前記任意の燃料電池セルは前記水素が欠乏している状態であると診断した場合には、前記任意の燃料電池セルにおいて前記水素が欠乏している状態を回避させるために、前記燃料電池に供給される燃料の供給量を増大させるように前記第１調整手段を制御する第１制御手段（Ｓ１２０）と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の診断装置。
【請求項３】
前記第１算出手段により算出されたインピーダンスの絶対値が前記基準インピーダンスの絶対値よりも小さいか否かを判定する第２判定手段（Ｓ１３０）を備え、
前記第１算出手段により算出されたインピーダンスの絶対値が前記基準インピーダンスの絶対値よりも小さいと前記第２判定手段が判定した場合には、前記任意の燃料電池セルは前記酸素が欠乏している状態であると診断することを特徴とする請求項１または２に記載の診断装置。
【請求項４】
前記燃料電池に供給される酸化剤の供給量を調整する第２調整手段（２２、２３、２４）と、
前記任意の燃料電池セルは前記酸素が欠乏している状態であると診断した場合には、前記任意の燃料電池セルにおいて前記酸素が欠乏している状態を回避させるために、前記燃料電池に供給される酸化剤の供給量を増大させるように前記第２調整手段を制御する第２制御手段（Ｓ１４０）と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の診断装置。
【請求項５】
前記第１電圧検出手段によって検出される電圧を前記燃料電池セル毎に電圧増幅する電圧増幅回路（５３）を備え、
前記第１算出手段は、前記電流検出手段により検出された電流と前記電圧増幅回路の出力電圧とに基づいて、前記任意の燃料電池セルの前記インピーダンスを算出し、
前記第２算出手段は、前記電流検出手段により検出された電流と前記電圧増幅回路の出力電圧とに基づいて、前記基準セルの前記インピーダンスを算出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の診断装置。
【請求項６】
前記第１算出手段は、前記複数の燃料電池セルのうち任意の２つ以上の燃料電池セルのインピーダンスを算出することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の診断装置。
【請求項７】
酸素を含む酸化剤と水素を含む燃料を電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池セル（１０ａ）を複数積層された燃料電池（１０）の状態を診断する診断装置であって、
前記燃料電池の出力電流に対して交流電流を重畳させる信号重畳手段（５１０）と、
前記燃料電池セルから出力される電圧を前記燃料電池セル毎に検出する第１電圧検出手段（５４）と、
前記燃料電池から出力される電圧を検出する第２電圧検出手段（５２ａ）と、
前記複数の燃料電池セルに流れる電流を求める電流検出手段（５２ｂ）と、
前記電流検出手段により検出された電流と前記第１電圧検出手段により検出された電圧とに基づいて、前記複数の燃料電池セルのうち任意の燃料電池セルについて前記交流電流に対する低周波のインピーダンスを算出する第１算出手段（５２０）と、
前記電流検出手段により検出される電流と前記第１、第２の電圧検出手段により検出された電圧とに基づいて、前記交流電流に対する前記燃料電池の全体の低周波のインピーダンス、或いは前記複数の燃料電池セルのうち前記酸素の欠乏が生じ難い燃料電池セルとして予め選択された基準セルについて前記交流電流に対する低周波のインピーダンスを算出し、この算出されるインピーダンスに基づいて基準インピーダンスを算出する第２算出手段（Ｓ１００）と、
前記第１算出手段により算出されたインピーダンスの絶対値が前記基準インピーダンスの絶対値よりも小さいか否かを判定する第３判定手段（Ｓ１３０）と、を備え、
前記第１算出手段における前記低周波の周波数は、前記第２算出手段における前記低周波の周波数と同一であり、
前記第１算出手段により算出されたインピーダンスの絶対値が前記基準インピーダンスの絶対値よりも小さいと前記第３判定手段が判定した場合には、前記任意の燃料電池セルは前記酸素が欠乏している状態であると診断することを特徴とする診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の状態を診断する診断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムにおいて、酸素ガスと水素ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池セルを複数積層された燃料電池と、燃料電池の出力に交流電流と交流電圧とを発生させる出力制御部とを備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このものにおいて、燃料電池から出力される交流電流と交流電圧とに基づいて燃料電池全体の内部インピーダンスの絶対値を求めるインピーダンス算出部と、燃料電池の内部インピーダンスの絶対値に基づいて燃料電池の水素濃度を算出する水素濃度算出部を備える。
【０００４】
さらに、特許文献２に記載の燃料電池システムでは、複数の燃料電池セルのうち任意の燃料電池セルのインピーダンスと任意の燃料電池セルの出力電圧の低下量に基づいて、酸素ガス、或いは水素ガスが欠乏しているか否かを診断するものが提案されている。
【０００５】
具体的には、任意の燃料電池セルのインピーダンスを測定し、この測定したインピーダンスの絶対値が増加した場合には、任意の燃料電池セルにおいて酸素ガスおよび水素ガスのどちらか欠乏していると診断する。これに加えて、任意の燃料電池セルの出力電圧の低下量に応じて、酸素ガスおよび水素ガスのうちどちらが欠乏しているかを判別する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１４０７１５号公報
【特許文献２】特開２０１２−２５２９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池全体について水素濃度を算出することができるものの、水素濃度が欠乏しているか否かを燃料電池セル毎に診断することができない。
【０００８】
特許文献２に記載の燃料電池システムでは、任意の燃料電池セルにおいて、水素ガスおよび酸素ガスのうちいずれが欠乏しているかを判別するために、任意の燃料電池セルのインピーダンスの絶対値に加えて、任意の燃料電池セルの出力電圧の低下量を必要とする。
【０００９】
本発明は上記点に鑑みて、燃料電池セルの出力電圧の低下量を用いることなく、任意の燃料電池セルは水素ガスが欠乏しているか否かを診断する診断装置を提供することを第１目的とし、燃料電池セルの出力電圧の低下量を用いることなく、任意の燃料電池セルは酸素ガスが欠乏しているか否かを診断する診断装置を提供することを第２目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を含む酸化剤と水素を含む燃料を電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池セル（１０ａ）を複数積層された燃料電池（１０）の状態を診断する診断装置であって、
燃料電池の出力電流に対して交流電流を重畳させる信号重畳手段（５１０）と、
燃料電池セルから出力される電圧を燃料電池セル毎に検出する第１電圧検出手段（５４）と、
燃料電池から出力される電圧を検出する第２電圧検出手段（５２ａ）と、
複数の燃料電池セルに流れる電流を求める電流検出手段（５２ｂ）と、
電流検出手段により検出された電流と第１電圧検出手段により検出された電圧とに基づいて、複数の燃料電池セルのうち任意の燃料電池セルについて交流電流に対する低周波のインピーダンスを算出する第１算出手段（５２０）と、
電流検出手段により検出される電流と第１、第２の電圧検出手段により検出された電圧とに基づいて、交流電流に対する燃料電池の全体の低周波のインピーダンス、或いは複数の燃料電池セルのうち水素の欠乏が生じ難い燃料電池セルとして予め選択された基準セルについて交流電流に対する低周波のインピーダンスを算出し、この算出されるインピーダンスに基づいて基準インピーダンスを算出する第２算出手段（Ｓ１００）と、
第１算出手段により算出されたインピーダンスの絶対値が基準インピーダンスの絶対値よりも大きいか否かを判定する第１判定手段（Ｓ１１０）と、を備え、
第１算出手段における低周波の周波数は、第２算出手段における低周波の周波数と同一であり、
第１算出手段により算出されたインピーダンスの絶対値が基準インピーダンスの絶対値よりも大きいと第１判定手段が判定した場合には、任意の燃料電池セルは水素が欠乏している状態であると診断することを特徴とする。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池セルの出力電圧の低下量を用いることなく、基準インピーダンスとセルインピーダンスとを比較することにより、任意の燃料電池セルは水素が欠乏している状態であるか否かを診断することができる。
【００１２】
但し、低周波数としては、例えば、１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の範囲内の周波数が用いられる。
【００１３】
請求項７に記載の発明では、酸素を含む酸化剤と水素を含む燃料を電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池セル（１０ａ）を複数積層された燃料電池（１０）の状態を診断する診断装置であって、
燃料電池の出力電流に対して交流電流を重畳させる信号重畳手段（５１０）と、
燃料電池セルから出力される電圧を燃料電池セル毎に検出する第１電圧検出手段（５４）と、
燃料電池から出力される電圧を検出する第２電圧検出手段（５２ａ）と、
複数の燃料電池セルに流れる電流を求める電流検出手段（５２ｂ）と、
電流検出手段により検出された電流と第１電圧検出手段により検出された電圧とに基づいて、複数の燃料電池セルのうち任意の燃料電池セルについて交流電流に対する低周波のインピーダンスを算出する第１算出手段（５２０）と、
電流検出手段により検出される電流と第１、第２の電圧検出手段により検出された電圧とに基づいて、交流電流に対する燃料電池の全体の低周波のインピーダンス、或いは複数の燃料電池セルのうち酸素の欠乏が生じ難い燃料電池セルとして予め選択された基準セルについて交流電流に対する低周波のインピーダンスを算出し、この算出されるインピーダンスに基づいて基準インピーダンスを算出する第２算出手段（Ｓ１００）と、
第１算出手段により算出されたインピーダンスの絶対値が基準インピーダンスの絶対値よりも小さいか否かを判定する第３判定手段（Ｓ１３０）と、を備え、
第１算出手段における低周波の周波数は、第２算出手段における低周波の周波数と同一であり、
第１算出手段により算出されたインピーダンスの絶対値が基準インピーダンスの絶対値よりも小さいと第３判定手段が判定した場合には、任意の燃料電池セルは酸素が欠乏している状態であると診断することを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明によれば、燃料電池セルの出力電圧の低下量を用いることなく、基準インピーダンスとセルインピーダンスとを比較することにより、任意の燃料電池セルは酸素が欠乏している状態であるか否かを診断することができる。
【００１５】
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を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る一実施形態における燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】上記実施形態に係る単セルの模式的な断面図である。
【図３】上記実施形態に係る単セルの内部の構造を示す模式的な断面図である。
【図４】上記実施形態に係る診断装置の模式図である。
【図５】上記実施形態に係る信号重畳部にて燃料電池の出力電流に重畳させる交流電流を説明するための説明図である。
【図６】上記実施形態において水素欠乏時と通常発電時とにおいて燃料電池セルのインピーダンスの比較を示すヒストグラムである。
【図７】上記実施形態において空気欠乏（酸素欠乏）時と通常発電時とにおいて燃料電池セルのインピーダンスの比較を示すヒストグラムである。
【図８】上記実施形態に係る診断装置の燃料電池診断処理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】
【００１７】
以下、本発明に係る診断装置５が適用された燃料電池システム１の一実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態の診断装置５は、電気自動車の一種である燃料電池車両に適用されて、車両に搭載された燃料電池１０の状態を診断するものである。
【００１８】
燃料電池１０は、水素ガスを含む燃料ガスと酸素ガスを含む酸化剤ガス（本例では、空気）といった反応ガスの電気化学反応を利用して電気エネルギを出力するものである。本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子型燃料電池を採用している。
【００１９】
図１の全体構成図に示すように、燃料電池１０は、発電により発生した直流電力をＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを介して、主に車両走行用電動モータや二次電池といった電気負荷（図示略）に供給する。
【００２０】
本実施形態の燃料電池１０は、最小単位となる燃料電池セル１０ａが複数積層されたスタック構造であり、複数の燃料電池セル１０ａを電気的に直列接続した直列接続体として構成されている。
【００２１】
複数の燃料電池セル１０ａは、図２の断面図に示すように、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拡散層１０３ａ、１０３ｂ、これらを挟持するセパレータ１１０で構成されている。
【００２２】
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等の高分子材料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。
【００２３】
一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ電極をなすもので、アノード電極を構成するアノード側触媒層１０２ａ、およびカソード電極を構成するカソード側触媒層１０２ｂで構成されている。各触媒層１０２ａ、１０２ｂは、図３の模式図に示すように、触媒作用を発揮する物質（例えば、白金粒子）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（電解質ポリマー）１０２ｅで構成されている。
【００２４】
拡散層１０３ａ、１０３ｂは、反応ガスを各触媒層１０２ａ、１０２ｂへ拡散させるもので、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質部材（例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス）で構成されている。
【００２５】
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、アノード側触媒層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、カソード側触媒層１０２ｂに対向する部位に、酸化剤ガスが流れる空気流路１１２が形成されている。
【００２６】
複数の燃料電池セル１０ａは、それぞれ、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると、以下に示すように、水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
【００２７】
（アノード側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（カソード側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
図１に戻り、燃料電池１０は、双方向に電力供給可能なＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａ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５１ａは、電圧センサ５２ａおよび電流センサ５２ｂとともに電流制御装置５１を構成するもので、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ものである。
【００２８】
本実施形態の燃料電池１０には、燃料電池セル１０ａにおける水素ガスの欠乏や酸素ガスの欠乏を診断する診断装置５が接続されている。なお、診断装置５については後述する。
【００２９】
図１の燃料電池１０には、空気入口部１１ａに空気を供給するための空気供給配管２０が接続されると共に、空気出口部１１ｂから生成水や不純物を空気とともに外部へ排出するための空気排出配管２１が接続されている。
【００３０】
なお、空気入口部１１ａは、複数の燃料電池セル１０ａの空気流路１１２に酸化剤ガスを供給するガス入口部を構成している。空気出口部１１ｂは、複数の燃料電池セル１０ａの空気流路１１２から生成水や不純物を空気とともに排出させるガス出口部を構成している。
【００３１】
空気供給配管２０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。
【００３２】
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に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁２３が設けられている。空気調圧弁２３は、空気供給配管２０のうち空気が流通する空気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。
【００３３】
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。
【００３４】
また、燃料電池１０には、水素入口部１２ａに水素を供給するための水素供給流路を有する水素供給配管３０が接続されると共に、水素出口部１２ｂから微量な未反応水素等を外部へ排出するための水素排出流路を備える水素排出配管３１が接続されている。
【００３５】
なお、水素入口部１２ａは、複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１に燃料ガスを供給するガス入口部を構成している。水素出口部１２ｂは、複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１から未反応水素等を排出させるガス出口部を構成している。
【００３６】
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に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３３が設けられている。水素調圧弁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。
【００３７】
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電磁弁３４が設けられている。電磁弁３４は、水素排出配管３１のうち水素排出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。
【００３８】
なお、本実施形態では、調圧弁２３、３３および電磁弁２４、３４、および空気ポンプ２２は、診断装置５によって制御される。
【００３９】
さらに、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、冷却水が循環する冷却水循環回路４が接続されている。この冷却水循環回路４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。
【００４０】
また、冷却水循環回路４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。
【００４１】
次に、本実施形態の診断装置５について図４を参照して説明する。図４では、燃料電池１０の内部構造を示すために、燃料電池１０を構成する燃料電池セル１０ａの一部を透視図で示している。
【００４２】
診断装置５は、マイクロコンピュータ、メモリ、デジタル／アナログコンバータ、アナログ／デジタルコンバータ等によって構成されている。具体的には、診断装置５は、主に、交流成分ΔＩ付加部５１０、ΔＩｎ算出部５４０、Ｚｎ算出部５２０、および診断部５３０によって構成されている。
【００４３】
まず、交流成分ΔＩ付加部５１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを通して燃料電池１０の出力電流に対して低周波数ｆの交流電流（交流成分ΔＩ）を重畳させる。ＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａは、燃料電池１０に接続され、図５に示すように、交流成分ΔＩ付加部５１０からの交流電流を燃料電池１０の出力電流に重畳する。本実施形態の低周波数ｆとしては、例えば、１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の範囲内の周波数が用いられる。
【００４４】
なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａにおいて重畳する各交流電流は、燃料電池１０の発電状態への影響を考慮して、燃料電池１０の出力電流（発電電流）の１０％以内とすることが望ましいが、燃料電池１０の発電状態に応じて変更するようにしてもよい。
【００４５】
なお、交流成分ΔＩ付加部５１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを通して、互いに異なる複数の周波数の交流電流を燃料電池１０の出力電流（発電電流）に重畳するように構成してもよい。
【００４６】
ΔＩｎ算出部５４０は、電流センサ５２ｂの検出電流Ｉに基づいて、燃料電池１０に流れる総電流Ｉのうち低周波数ｆの交流成分ΔＩｎ（すなわち、低周波数ｆの交流電流）を算出する。本実施形態のΔＩｎ算出部５４０が交流成分ΔＩｎを算出する際には、高速フーリエ変換等の手法が用いられる。
【００４７】
電流センサ５２ｂは、燃料電池１０に流れる総電流Ｉを検出する。総電流Ｉは、燃料電池１０の出力電流（図５中直流電流Ｉ）と低周波数ｆの交流電流（図５中交流成分ΔＩ）とを含んだ電流である。
【００４８】
Ｚｎ算出部５２０は、増幅回路５３の出力電圧に基づいて、燃料電池セル１０ａから出力されるセル電圧のうち低周波数ｆの交流成分ΔＶ（すなわち、低周波数ｆの交流電圧）を燃料電池セル１０ａ毎に算出する。本実施形態のＺｎ算出部５２０が交流成分ΔＶを算出する際には、高速フーリエ変換等の手法が用いられる。
【００４９】
これに加えて、Ｚｎ算出部５２０は、「交流成分ΔＶ」を「ΔＩｎ算出部５４０により算出される交流成分ΔＩｎ」によって除算して、交流電流に対する燃料電池セル１０ａのインピーダンス（＝ΔＶ／ΔＩｎ）を燃料電池セル１０ａ毎に算出する。なお、以下、交流電流に対する燃料電池セル１０ａのインピーダンスをセルインピーダンスという。
【００５０】
増幅回路５３は、セルモニタ５４から出力される電圧を燃料電池セル１０ａ毎に電圧増幅して出力する。セルモニタ５４は、燃料電池セル１０ａから出力される電圧を燃料電池セル１０ａ毎に検出する電圧検出手段である。このため、増幅回路５３は、複数の燃料電池セル１０ａから出力されるセル電圧をそれぞれ電圧増幅することになる。
【００５１】
電圧センサ５２ａは、燃料電池１０全体（すなわち、複数の燃料電池セル１０ａ全体）から出力される電圧（以下、総電圧という）を検出する。
【００５２】
Ｚｎ算出部５２０は、電圧センサ５２ａの検出電圧に基づいて、総電圧のうち低周波数ｆの交流成分Ｖ（すなわち、低周波数ｆの交流電圧）を算出する。本実施形態のＺｎ算出部５２０が交流成分Ｖを算出する際には、高速フーリエ変換等の手法が用いられる。
【００５３】
これに加えて、Ｚｎ算出部５２０は、「交流成分Ｖ」を「ΔＩｎ算出部５４０により算出される交流成分ΔＩｎ」によって除算して、交流電流に対する燃料電池１０全体（すなわち、複数の燃料電池セル１０ａ全体）のインピーダンス（以下、スタック全体インピーダンスΣＺｎという）を算出する。
【００５４】
診断部５３０は、燃料電池セル１０ａ毎のセルインピーダンスの絶対値と基準インピーダンスの絶対値とを比較することにより、任意の燃料電池セル１０ａについて水素ガスの欠乏、および酸素ガスの欠乏を診断する。
【００５５】
次に、本実施形態の燃料電池システム１において、セルインピーダンスの絶対値と基準インピーダンスの絶対値とを比較することにより、水素ガスの欠乏、および酸素ガスの欠乏を診断する原理について説明する。
【００５６】
まず、燃料電池セル１０ａが発電時に水素ガスの欠乏を生じた場合、空気極（カソード）における反応が通常発電時の酸素還元反応からカーボン酸化反応に変わる。以下、水素ガスの欠乏を生じた燃料電池セル１０ａを水素ガス欠乏セルという。
【００５７】
この際、水素ガス欠乏セルの反応抵抗は、酸素還元反応を有する燃料電池セル１０ａの反応抵抗と比較して非常に大きくなる。このため、水素ガス欠乏セルのセルインピーダンスの絶対値は酸素還元反応を有する燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスの絶対値と比較して大きくなる。
【００５８】
これにより、燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスの絶対値は、水素欠乏時には、通常発電時に比べて、大きくなる（図６参照）。通常発電時とは、燃料電池セル１０ａが発電を行う際に、水素ガスや酸素ガスが燃料電池セル１０ａに十分に供給されて欠乏していない状態である。
【００５９】
以上により、通常発電時の燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスの絶対値を基準インピーダンスとして、任意の燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスの絶対値が基準インピーダンスの絶対値よりも大きいか否かを判定する。これにより、任意の燃料電池セル１０ａに水素ガスの欠乏が生じているか否かを診断することができる。
【００６０】
また、燃料電池セル１０ａが発電時に酸素ガスの欠乏を生じた場合、空気極での反応が通常発電時の酸素還元反応から水素ポンピング反応に変わる。以下、酸素ガスの欠乏を生じた燃料電池セル１０ａを酸素欠乏セルという。
【００６１】
この際、酸素欠乏セルにおいて酸素拡散に関わる反応抵抗は無くなるため、酸素欠乏セルのセルインピーダンスは高周波のインピーダンスと近い値となり、酸素還元反応を有する燃料電池セル１０ａのインピーダンスの絶対値と比較して酸素欠乏セルのインピーダンスの絶対値が小さくなる。
【００６２】
なお、高周波のインピーダンスとは、燃料電池１０の出力電流に対して高周波数（例えば、１ｋＨｚ）の交流電流を重畳させた場合において、高周波の交流電流に対する燃料電池セル１０ａのインピーダンスのことである。
【００６３】
ここで、燃料電池セル１０ａのインピーダンスの絶対値は、空気（酸素ガス）の欠乏時には、通常発電時に比べて、小さくなる（図７参照）。
【００６４】
以上により、任意の燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスの絶対値が基準インピーダンスの絶対値よりも小さいか否かを判定することにより、任意の燃料電池セル１０ａに酸素ガスの欠乏が生じているか否かを診断することができる。
【００６５】
次に、本実施形態の燃料電池システム１の作動について説明する。
【００６６】
まず、交流成分ΔＩ付加部５１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを通して、燃料電池１０の出力電流（発電電流）に対して低周波数ｆの交流電流（交流成分ΔＩ）を重畳させる。
【００６７】
ΔＩｎ算出部５４０は、電流センサ５２ｂの検出電流Ｉに基づいて、燃料電池１０に流れる総電流Ｉのうち低周波数ｆの交流成分ΔＩｎを算出する。
【００６８】
セルモニタ５４は、燃料電池セル１０ａの出力電圧ΔＶを燃料電池セル１０ａ毎に検出する。増幅回路５３は、セルモニタ５４から出力される燃料電池セル１０ａ毎の出力電圧ΔＶをそれぞれ電圧増幅して出力する。
【００６９】
Ｚｎ算出部５２０は、増幅回路５３の出力電圧とΔＩｎ算出部５４０により算出される交流成分ΔＩｎとに基づいて、セルインピーダンスを燃料電池セル１０ａ毎に算出する。
【００７０】
Ｚｎ算出部５２０は、電圧センサ５２ａにより検出される総電圧とΔＩｎ算出部５４０により算出される交流成分ΔＩｎとに基づいて、スタック全体インピーダンスを算出する。
【００７１】
このとき、診断部５３０は、スタック全体インピーダンス、および燃料電池セル１０ａ毎のセルインピーダンスに基づいて、任意の燃料電池セル１０ａについて水素ガス、酸素ガスが欠乏しているか否かを診断する。
【００７２】
具体的には、診断部５３０は、図８のフローチャートにしたがって、診断処理を実行する。図８は、診断部５３０による診断処理を示すフローチャートである。
【００７３】
まず、ステップ１００において、燃料電池セル１０ａについて水素ガスや酸素ガスが欠乏しているか否かを診断するために用いる基準インピーダンスを算出する。
【００７４】
基準インピーダンスは、複数の燃料電池セル１０ａのうち予め選択された基準セル１０ａのインピーダンスである。基準セル１０ａとは、複数の燃料電池セル１０ａのうち予め決められた燃料電池セル１０ａであって、水素ガスや酸素ガスの欠乏が生じ難いものであると想定される燃料電池セル１０ａである。基準セル１０ａの選択については、後述する。
【００７５】
なお、基準インピーダンスとしては、基準セル１０ａのインピーダンスに代えて、スタック全体インピーダンスΣＺｎを燃料電池セル１０ａの個数Ｎで除算した平均値（＝ΣＺｎ／Ｎ）を用いてもよい。
【００７６】
次に、ステップ１１０において、基準インピーダンスの絶対値に所定値βを加算した（基準インピーダンスの絶対値＋所定値β）を求め、（基準インピーダンスの絶対値＋所定値β）よりも任意の燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスの絶対値が大きいか否かを判定する。任意の燃料電池セル１０ａは、複数の燃料電池セル１０ａのうち任意の燃料電池セル１０ａである。所定値βは、セルインピーダンスの絶対値に対する比較対象である閾値を調整するために予め決められた値である。
【００７７】
例えば、（基準インピーダンスの絶対値＋所定値β）よりも任意の燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスの絶対値が大きいときには、ステップ１１０において、ＹＥＳと判定する。このとき、任意の燃料電池セル１０ａにおいて水素ガスが欠乏している状態であると診断する。
【００７８】
このとき、任意の燃料電池セル１０ａにおいて水素が欠乏している状態であることを回避するために、燃料電池セル１０をフィードバック制御する。具体的には、水素調圧弁３３の開度を大きくし、かつ電磁弁３４の開度を大きくする。
【００７９】
これにより、高圧水素タンク３２から複数の燃料電池セル１０ａに供給される燃料ガス（すなわち、水素ガス）の供給量を増加させることができる。このため、任意の燃料電池セル１０ａに供給される水素ガスの供給量を増大させることができる。これにより、任意の燃料電池セル１０ａにおいて、水素ガスが欠乏している状態であることを回避することができる。その後、ステップ１３０に移行する。
【００８０】
なお、水素ガスの欠乏を回避するには、燃料電池１０に対して燃料ガスを圧送するための燃料ガス循環用の電動ポンプを有するシステムにおいて、燃料ガス循環用の電動ポンプの回転数を増大させてもよい。このことにより、高圧水素タンク３２から複数の燃料電池セル１０ａに供給される水素ガスの供給量を増加させることにより、水素ガスの欠乏を回避することができる。
【００８１】
また、（基準インピーダンスの絶対値＋所定値β）よりも任意の燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスの絶対値が小さいときには、上記ステップ１１０において、ＮＯと判定する。このとき、任意の燃料電池セル１０ａにおいて、水素ガスが欠乏している状態ではないと診断する。この場合も、ステップ１３０に移行する。
【００８２】
次に、ステップ１３０において、基準インピーダンスの絶対値から所定値αを引いた（基準インピーダンスの絶対値−所定値α）を求め、（基準インピーダンスの絶対値−所定値α）よりも任意の燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスの絶対値が小さいか否かを判定する。所定値αは、セルインピーダンスの絶対値に対する比較対象である閾値を調整するために予め決められた値である。
【００８３】
例えば、（基準インピーダンスの絶対値−所定値α）よりも任意の燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスの絶対値が小さいときには、ステップ１３０において、ＹＥＳと判定する。このとき、任意の燃料電池セル１０ａにおいて酸素ガスが欠乏している状態であると診断する。
【００８４】
このとき、任意の燃料電池セル１０ａにおいて酸素ガスが欠乏している状態であることを回避するために、燃料電池１０をフィードバック制御する。具体的には、空気ポンプ２２の電動モータの回転数を増大させて、空気ポンプ２２から送風される空気量（すなわち、酸素ガスの供給量）を増大させる。このため、酸素ガスの欠乏を回避することができる。
【００８５】
または、空気調圧弁２３の開度を大きくし、かつ電磁弁２４の開度を大きくする。このため、空気ポンプ２２から送風される空気の体積流量を増大させることにより、酸素ガスの輸送を阻害する水を除去して酸素ガスの欠乏を回避することができる。
【００８６】
これにより、任意の燃料電池セル１０ａに対する空気（すなわち、酸素ガス）の供給量を増大させて、任意の燃料電池セル１０ａにおいて酸素ガスが欠乏している状態であることを回避することができる。
【００８７】
このような診断処理を複数の燃料電池セル１０ａのそれぞれについて燃料電池セル１０ａ毎に実施する。これにより、水素ガスの欠乏が生じた場合には、水素ガスの欠乏回避制御（ステップ１２０）を実施する。よって、水素ガスの欠乏を回避することが可能となる。酸素ガスの欠乏が生じた場合には、酸素ガスの欠乏回避制御（ステップ１４０）を実施する。よって、酸素ガスの欠乏を回避することが可能となる。酸素ガスの欠乏と水素ガスの欠乏とが両方生じた場合には、水素ガスの欠乏回避制御（ステップ１２０）と酸素ガスの欠乏回避制御（ステップ１４０）との両方を実施する。これにより、水素ガスの欠乏、および酸素ガスの欠乏を回避することが可能となる。
【００８８】
以上説明した本実施形態によれば、酸素ガスと水素ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池セル１０ａを複数積層された燃料電池１０の状態を診断する診断装置において、交流成分ΔＩ付加部５１０が燃料電池１０の出力電流に対して交流電流を重畳させる。セルモニタ５４は、燃料電池セル１０ａの出力電圧ΔＶを燃料電池セル１０ａ毎に検出する。ΔＩｎ算出部５４０は、複数の燃料電池セル１０ａに流れる総電流を検出する。Ｚｎ算出部５２０は、複数の燃料電池セル１０ａのうち任意の燃料電池セル１０ａについて交流電流に対するセルインピーダンスを算出する。ここで、燃料電池セル１０ａのインピーダンスの絶対値は、水素欠乏時には、通常発電時に比べて、大きくなる。通常発電時とは、燃料電池セル１０ａが上記電気化学反応を行う際に、水素ガスや酸素ガスが燃料電池セル１０ａに十分に供給されて欠乏していない状態である。
【００８９】
そこで、診断装置５は、任意の燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスの絶対値が（基準インピーダンスの絶対値＋所定値β）よりも大きいと判定した場合には、任意の燃料電池セル１０ａは水素ガスが欠乏している状態であると診断することができる。
【００９０】
また、燃料電池セル１０ａのインピーダンスの絶対値は、酸素ガスの欠乏時には、通常発電時に比べて、小さくなる。そこで、診断装置５は、セルインピーダンスの絶対値が（基準インピーダンスの絶対値−所定値α）よりも小さいと判定した場合には、任意の燃料電池セル１０ａは酸素ガスが欠乏している状態であると診断することができる。
【００９１】
したがって、診断装置５は、燃料電池セル１０ａの出力電圧の低下量を用いることなく、基準インピーダンスの絶対値とセルインピーダンスの絶対値とを比較することにより、任意の燃料電池セル１０ａは、水素ガスが欠乏している状態であると診断することができる。
【００９２】
以上により、診断装置５が燃料電池セル１０ａに水素ガスの欠乏が生じていると診断したときには燃料電池１０を制御して燃料電池セル１０ａの水素ガスの欠乏を回避することができる。診断装置５が燃料電池セル１０ａに酸素ガスの欠乏が生じていると診断したときには燃料電池１０を制御して燃料電池セル１０ａの酸素ガスの欠乏を回避することができる。診断装置５が燃料電池セル１０ａに酸素ガスの欠乏および水素ガスの欠乏が生じていると診断したときには燃料電池１０を制御して燃料電池セル１０ａの水素ガスの欠乏と酸素ガスの欠乏を回避することができる。
【００９３】
次に、本実施形態の基準セル１０ａの選択について説明する。
【００９４】
まず、水素ガスが欠乏しているか否かを診断するための基準セル１０ａとしては、次のように選択することができる。例えば、複数の燃料電池セル１０ａのうち燃料ガス（水素ガス）の流速が最も大きくなり易い燃料電池セル１０ａを基準セル１０ａとして選択することができる。より具体的には、複数の燃料電池セル１０ａのうち燃料ガスの流れ方向の上流側（すなわち、高圧水素タンク３２側）の燃料電池セル１０ａは、燃料ガス（水素ガス）の流速が最も大きくなり易いため、この燃料ガスの流れ方向の上流側の燃料電池セル１０ａを基準セル１０ａとして選択することができる。
【００９５】
また、複数の燃料電池セル１０ａのうちセル積層方向中央側の燃料電池セル１０ａを基準セル１０ａとして選択することができる。複数の燃料電池セル１０ａのうちセル積層方向端側の燃料電池セル１０ａは、放熱され易いので、水素流路１１１にて水詰まりが発生し易く水素ガスの欠乏が生じ易い。これに対して、複数の燃料電池セル１０ａのうちセル積層方向中央側の燃料電池セル１０ａは、放熱され難いので、水詰まりによる水素ガスの欠乏が生じ難い。
【００９６】
また、酸素ガスが欠乏しているか否かを診断するための基準セル１０ａとしては次のように選択することができる。例えば、複数の燃料電池セル１０ａのうち空気（酸素ガス）の流速が最も大きくなり易い燃料電池セル１０ａを基準セル１０ａとして選択することができる。より具体的には、燃料電池１０のうち、複数の燃料電池セル１０ａのうち空気の流れ方向の上流側（すなわち、空気ポンプ２２側）の燃料電池セル１０ａが空気の流速が最も大きくなり易いため、この空気の流れ方向上流側の燃料電池セル１０ａを基準セル１０ａとして選択することができる。
【００９７】
また、複数の燃料電池セル１０ａのうちセル積層方向中央側の燃料電池セル１０ａを基準セル１０ａとして選択することができる。複数の燃料電池セル１０ａのうちセル積層方向端側の燃料電池セル１０ａは、放熱し易いので、空気流路１１２にて水詰まりが発生し易く酸素ガスの欠乏が生じ易い。これに対して、複数の燃料電池セル１０ａのうちセル積層方向中央側の燃料電池セル１０ａは、空気流路１１２にて水詰まりによる酸素ガスの欠乏が生じ難い。
【００９８】
（他の実施形態）
（１）上記実施形態では、複数の燃料電池セルのうち１つの任意の燃料電池セル１０ａのセルインピーダンスに基づいて水素ガス欠乏や酸素ガス欠乏を診断した例について説明したが、これに代えて、次の（ａ）、（ｂ）のようにしてもよい。
【００９９】
（ａ）まず、燃料電池１０を構成する燃料電池セル１０ａの総数をＮとし、任意の燃料電池セル１０ａの個数をＭとする。この場合、Ｍは、２以上で、かつＭ＜Ｎを満たす整数とする。
【０１００】
Ｎ個の燃料電池セル１０ａのうち任意のＭ個の燃料電池セル１０ａのインピーダンスの絶対値を加算した合計をセルインピーダンスの絶対値として算出する。
【０１０１】
この場合、「（基準インピーダンスの絶対値＋所定値β）×Ｎ」を第１閾値とする。セルインピーダンスの絶対値が第１閾値よりも大きいか否かを判定することにより、任意のＭ個の燃料電池セル１０ａに水素ガスの欠乏が生じているか否かを診断する。
【０１０２】
一方、「（基準インピーダンスの絶対値−所定値α）×Ｎ」を第２閾値とする。セルインピーダンスの絶対値が第２閾値よりも大きいか否かを判定することにより、任意のＭ個の燃料電池セル１０ａに酸素ガスの欠乏が生じているか否かを診断する。
【０１０３】
（ｂ）  Ｎ個の燃料電池セル１０ａのうち任意のＭ個の燃料電池セル１０ａのインピーダンスの絶対値の平均値Ｚａｖをセルインピーダンスの絶対値として算出する。
【０１０４】
この場合、セルインピーダンスの絶対値が（基準インピーダンスの絶対値＋所定値β）よりも大きいか否かを判定することにより、任意のＭ個の燃料電池セル１０ａに水素ガスの欠乏が生じているか否かを診断する。
【０１０５】
また、セルインピーダンスの絶対値が（基準インピーダンスの絶対値−所定値α）よりも小さいか否かを判定することにより、任意のＭ個の燃料電池セル１０ａに酸素ガスの欠乏が生じているか否かを診断する。
【０１０６】
このように（ａ）、（ｂ）により、Ｎ個の燃料電池セル１０ａそれぞれについて、燃料電池セル１０ａをＭ個ずつ、水素ガスの欠乏、或いは酸素ガスの欠乏が生じているか否かを診断することができる。
【０１０７】
（２）上記実施形態では、燃料電池１０において、気体である水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力した例について説明したが、これに代えて、次の（ｃ）（ｄ）のようにしてもよい。
（ｃ）燃料電池１０が電気化学反応により発電する際に、液体水素、或いは水素を含む液体燃料を用いる。
（ｄ）燃料電池１０が電気化学反応により発電する際に、液体酸素、或いは酸素を含む液体の酸化剤を用いる。
【０１０８】
（３）上記実施形態では、任意の燃料電池セル１０ａにおいて酸素ガスが欠乏している状態であることを回避するために、空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、および電磁弁２４をそれぞれ制御した例について説明したが、これに代えて、次の（ｅ）、（ｆ）のようにしてもよい。
【０１０９】
（ｅ）診断装置５は、空気調圧弁２３の開度および電磁弁２４の開度を変化させることなく、空気ポンプ２２から送風される空気量を増大させる。これにより、空気ポンプ２２から燃料電池１０に送風される空気量の供給量を増大させることができる。
【０１１０】
（ｆ）診断装置５は、空気ポンプ２２から燃料電池１０に送風される空気量を変化させることなく、空気調圧弁２３の開度を大きくし、かつ電磁弁２４の開度を大きくする。これにより、燃料電池１０に送風される空気の流れの圧損を小さくすることができる。このため、空気ポンプ２２から燃料電池１０に送風される空気量の供給量を増大させることができる。
【０１１１】
（４）上記実施形態では、本発明に係る燃料電池システム１を電気自動車に適用した例について説明したが、これに代えて、本発明に係る燃料電池システム１を設置型燃料電池システムにしてもよい。
【０１１２】
（５）なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記実施形態において、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。また、上記実施形態において、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るものではない。また、上記実施形態において、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るものではない。
【０１１３】
次に、上記実施形態の構成要素と特許請求の範囲との対応関係について説明する。ステップ１００は、第２算出手段に対応し、ステップ１１０が第１判定手段に対応し、ステップ１３０は、第２判定手段、および第３判定手段に対応し、ステップ１２０が第１制御手段に対応する。水素調圧弁３３および電磁弁３４は第１調整手段を構成し、空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、および電磁弁２４が第２調整手段を構成し、ステップ１４０が第２制御手段に対応する。
【符号の説明】
【０１１４】
１    燃料電池システム
５    診断装置
１０    燃料電池
１０ａ    燃料電池セル
５１    電流制御装置
５２ａ    電圧センサ（第２電圧検出手段）
５２ｂ    電流センサ（電流検出手段）
５３    増幅回路
５４    セルモニタ（第１電圧検出手段）
５１０    交流成分ΔＩ付加部（信号重畳手段）
５２０    Ｚｎ算出部（第１算出手段）
５３０    診断部
５４０    ΔＩｎ算出部
【図１】
0006455363.tif 000002
【図２】
0006455363.tif 000003
【図３】
0006455363.tif 000004
【図４】
0006455363.tif 000005
【図５】
0006455363.tif 000006
【図６】
0006455363.tif 000007
【図７】
0006455363.tif 000008
【図８】
0006455363.tif 000009