(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含む酸化剤ガスと水素を含む燃料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燃料電池（１０）の状態を診断する燃料電池診断装置であって、
複数の前記セルそれぞれから出力されるセル電圧を検出するセル電圧検出部（５４）と、
前記燃料電池に流れる電流を検出する電流検出部（５２ｂ）と、
前記燃料電池の出力電流に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流電流を重畳させる交流重畳部（５１０）と、
前記交流重畳部により前記燃料電池の出力電流に交流電流が重畳された状態で、前記セル電圧検出部の検出値、前記電流検出部の検出値に基づいて、前記セルのインピーダンスを算出するインピーダンス算出部（５２０）と、
前記複数のセルのうち、前記セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルがある場合に、前記燃料ガスが不足する燃料欠乏が生じていると判定する燃料欠乏判定部（Ｓ１０３）と、
前記複数のセルのうち、前記セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルを診断対象セルに設定する対象セル決定部（Ｓ１０６）と、
前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する劣化判定部（Ｓ１０９、Ｓ１０９Ａ）と、を備え、
前記劣化判定部は、
前記診断対象セルのインピーダンスが所定のインピーダンス判定閾値以下である場合に前記診断対象セルで劣化を伴わない化学反応が生じていると判定し、
前記診断対象セルのインピーダンスが所定のインピーダンス判定閾値より大きい場合に前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定する燃料電池診断装置。
【請求項２】
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出力するセル（１０ａ）を複数積層して構成される燃料電池（１０）の状態を診断する燃料電池診断装置であって、
複数の前記セルそれぞれから出力されるセル電圧を検出するセル電圧検出部（５４）と、
前記燃料電池に流れる電流を検出する電流検出部（５２ｂ）と、
前記燃料電池の出力電流に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流電流を重畳させる交流重畳部（５１０）と、
前記交流重畳部により前記燃料電池の出力電流に交流電流が重畳された状態で、前記セル電圧検出部の検出値、前記電流検出部の検出値に基づいて、前記セルのインピーダンスを算出するインピーダンス算出部（５２０）と、
前記複数のセルのうち、前記セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルがある場合に、前記燃料ガスが不足する燃料欠乏が生じていると判定する燃料欠乏判定部（Ｓ２０３）と、
前記複数のセルのうち、前記セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルを診断対象セルに設定する対象セル決定部（Ｓ２０６）と、
前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する劣化判定部（Ｓ２０９、Ｓ２０９Ａ）と、を備え、
前記診断対象セルよりも前記燃料欠乏の影響の小さい前記セルのインピーダンスを基準インピーダンスとしたとき、
前記劣化判定部は、
前記診断対象セルのインピーダンスと前記基準インピーダンスとの差分が所定の差分判定閾値以下である場合に、前記診断対象セルで劣化を伴わない化学反応が生じていると判定し、
前記診断対象セルのインピーダンスと前記基準インピーダンスとの差分が前記差分判定閾値より大きい場合に、前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定する燃料電池診断装置。
【請求項３】
前記インピーダンス判定閾値を決定する閾値決定部（Ｓ１０８）を備え、
前記閾値決定部は、前記燃料電池の温度、および前記燃料電池を流れる電流の少なくとも一方の低下に伴って、前記インピーダンス判定閾値を大きくする請求項１に記載の燃料電池診断装置。
【請求項４】
前記診断対象セルのインピーダンスを補正する補正部（Ｓ１０８Ａ）を備え、
前記補正部は、前記燃料電池の温度、および前記燃料電池を流れる電流の少なくとも一方の低下に伴って、前記診断対象セルのインピーダンスを小さい値に補正するように構成されており、
前記劣化判定部（Ｓ１０９Ａ）は、前記補正部で補正された前記診断対象セルのインピーダンスを前記インピーダンス判定閾値と比較して、前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定するように構成されている請求項１に記載の燃料電池診断装置。
【請求項５】
前記差分判定閾値を決定する閾値決定部（Ｓ２０８）を備え、
前記閾値決定部は、前記燃料電池の温度、および前記燃料電池を流れる電流の少なくとも一方の低下に伴って、前記差分判定閾値を大きくする請求項２に記載の燃料電池診断装置。
【請求項６】
前記診断対象セルのインピーダンスと前記基準インピーダンスとの差分を補正する補正部（Ｓ２０８Ａ）を備え、
前記補正部は、前記燃料電池の温度、および前記燃料電池を流れる電流の少なくとも一方の低下に伴って、前記診断対象セルのインピーダンスと前記基準インピーダンスとの差分を小さい値に補正するように構成されており、
前記劣化判定部（Ｓ２０９Ａ）は、前記補正部で補正された前記診断対象セルのインピーダンスと前記基準インピーダンスとの差分を前記差分判定閾値と比較して、前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定するように構成されている請求項２に記載の燃料電池診断装置。
【請求項７】
前記劣化判定部にて前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された場合に、前記燃料欠乏を回避する回避制御を実行する回避制御部（Ｓ１１２〜Ｓ１１４）を備える請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池診断装置。
【請求項８】
前記回避制御部は、前記回避制御を実行した後に、繰り返し前記劣化判定部にて前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された場合、前記燃料電池の作動を停止させる請求項７に記載の燃料電池診断装置。
【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燃料電池診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料ガスのガス濃度減少等の燃料欠乏が生じているか否かを診断する燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、燃料電池を構成する複数のセルの積層体に他のセルよりも水素濃度の減少に伴う電圧降下の大きい水素濃度感応セルを組み込み、当該水素濃度感応セルの電圧に基づいて、燃料欠乏が生じているか否かを診断する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１０６６０２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、氷点下等の低温環境下では、燃料電池内部のガス流路が残留水の凍結により閉塞することがある。この状態で、燃料電池を始動させると、ガス流路の閉塞により一部のセルで燃料ガスが欠乏した状態となり、アノード側の電位が上昇してカソード側の電位を上回ることで各セルの一部に負電圧が生じ易くなる。そして、負電圧となるセルでは、他のセルと同じだけの電流を流そうとするために、水電解反応や、カーボン酸化反応が生ずる。
【０００５】
ここで、カーボン酸化反応は、触媒を構成するカーボンの酸化等が生じる化学反応であり、燃料電池の劣化の要因となる。そして、このような劣化を伴う化学反応は、不可逆変化であり、燃料電池の寿命を縮める要因となることから好ましくない。このため、単に燃料欠乏を診断するだけでなく、当該燃料欠乏時に劣化を伴わない化学反応が生じているのか、劣化を伴う化学反応が生じているのかを診断可能な装置が望まれている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、水素濃度感応セルの電圧に基づいて、燃料欠乏が生じているか否かを診断する構成であり、当該燃料欠乏時に劣化を伴わない化学反応が生じているのか、劣化を伴う化学反応が生じているのかを切り分けて診断することができない。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かを診断可能な燃料電池診断装置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】
本発明者らは、燃料電池の燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じている場合と、燃料欠乏時に劣化を伴わない化学反応が生じている場合とで異なる特性があるか否かについて調査研究を実施した。この結果、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じている場合は、燃料欠乏時に劣化を伴わない化学反応が生じている場合に比べて、燃料電池に対して低周波数の交流電流を重畳させた際のセルのインピーダンスが著しく大きくなる傾向があることを見出した。
【０００９】
本発明者らは、上述の知見に基づいて課題を解決する発明を案出した。すなわち、請求項１および請求項２に記載の発明は、酸素を含む酸化剤ガスと水素を含む燃料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燃料電池の状態を診断する燃料電池診断装置を対象としている。
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１および請求項２に記載の発明は、
複数のセルそれぞれから出力されるセル電圧を検出するセル電圧検出部（５４）と、
燃料電池に流れる電流を検出する電流検出部（５２ｂ）と、
燃料電池の出力電流に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流電流を重畳させる交流重畳部（５１０）と、
交流重畳部により燃料電池の出力電流に交流電流が重畳された状態で、セル電圧検出部の検出値、電流検出部の検出値に基づいて、セルのインピーダンスを算出するインピーダンス算出部（５２０）と、
複数のセルのうち、セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルがある場合に、燃料ガスが不足する燃料欠乏が生じていると判定する燃料欠乏判定部（Ｓ１０３、Ｓ２０３）と、
複数のセルのうち、セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルを診断対象セルに設定する対象セル決定部（Ｓ１０６、Ｓ２０６）と、
診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する劣化判定部（Ｓ１０９、Ｓ１０９Ａ、Ｓ２０９、Ｓ２０９Ａ）と、を備える。
【００１１】
そして、請求項１に記載の発明は、劣化判定部が、診断対象セルのインピーダンスが所定のインピーダンス判定閾値以下である場合に診断対象セルで劣化を伴わない化学反応が生じていると判定し、診断対象セルのインピーダンスが所定のインピーダンス判定閾値より大きい場合に診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定する構成となっている。
【００１２】
このように、請求項１に記載の発明では、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かを、負電圧となる診断対象セルのインピーダンスとインピーダンス判定閾値とを比較により判定する構成としている。これによれば、燃料欠乏時に劣化を伴わない化学反応が生じている場合と、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じている場合とを切り分けた診断が可能となる。従って、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かを診断可能な燃料電池診断装置を実現することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、診断対象セルよりも燃料欠乏の影響の小さいセルのインピーダンスを基準インピーダンスとしたとき、劣化判定部が、診断対象セルのインピーダンスと基準インピーダンスとの差分が所定の差分判定閾値以下である場合に、診断対象セルで劣化を伴わない化学反応が生じていると判定し、診断対象セルのインピーダンスと基準インピーダンスとの差分が差分判定閾値より大きい場合に、診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定する構成となっている。
【００１４】
このように、請求項２に記載の発明では、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かを、診断対象セルのインピーダンスおよび基準インピーダンスの差分と判定閾値とを比較して判定する構成としている。これによっても、燃料欠乏時に劣化を伴わない化学反応が生じている場合と、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じている場合とを切り分けた診断が可能となる。従って、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かを診断可能な燃料電池診断装置を実現することができる。
【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の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の燃料電池診断装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【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を示す断面図である。
【図４】第１実施形態の燃料電池診断装置の模式的な構成図である。
【図５】交流成分ΔＩ付加部で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】燃料欠乏時のセル電圧と低周波インピーダンスとの関係を示す特性図である。
【図７】燃料欠乏時のセル電圧と低周波インピーダンスとの関係を示す特性図である。
【図８】第１実施形態の燃料電池診断装置が実行する燃料欠乏の判定処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】第１実施形態の燃料電池診断装置が実行する燃料欠乏の判定処理の変形例を示すフローチャートである。
【図１０】第２実施形態の燃料電池診断装置が実行する燃料欠乏の判定処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】第２実施形態の燃料電池診断装置が実行する燃料欠乏の判定処理の変形例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、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。
【００１８】
また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。
【００１９】
以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。
【００２０】
（第１実施形態）
本実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。本実施形態では、燃料電池診断装置５を図１に示す燃料電池システム１に適用した例について説明する。図１に示す燃料電池システム１は、例えば、電気自動車の一種である燃料電池自動車に適用される。
【００２１】
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ＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを介して、図示しない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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
電解質膜１０１は、含水性を有する炭化フッ素経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、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。
【００２５】
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（電解質ポリマー）１０２ｅで構成されている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
（アノード側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                  ・・・（式１）
（カソード側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ     ・・・（式２）
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と共に、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流制御装置５１を構成している。なお、本実施形態の電流制御装置５１は、燃料電池診断装置５の一構成要素である。
【００３０】
燃料電池１０には、燃料電池診断装置５が接続されている。燃料電池診断装置５は、燃料電池１０の状態を診断する装置である。本実施形態の燃料電池診断装置５は、燃料電池１０を構成する各セル１０ａにて、燃料ガスが不足する燃料欠乏が生じているか否かを診断するように構成されている。なお、燃料電池診断装置５の詳細については後述する。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【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。なお、本実施形態の空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、各電磁弁２４、３４、および空気ポンプ２２は、燃料電池診断装置５の診断制御部５０の出力側に接続されており、診断制御部５０からの制御信号により制御される構成となっている。
【００３８】
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４が接続されている。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。
【００３９】
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。
【００４０】
さらに、冷却水循環回路４には、燃料電池１０の冷却水出口部に温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６は、燃料電池１０を通過した後の冷却水の温度を検出する。
【００４１】
ここで、燃料電池１０を通過した後の冷却水の温度は、燃料電池１０の温度と殆ど同様の温度となる。このため、本実施形態では、温度センサ４６の検出値を燃料電池１０の温度と見なしている。すなわち、本実施形態では、温度センサ４６が燃料電池１０の温度を検出する電池温度検出部を構成している。
【００４２】
次に、燃料電池診断装置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を構成するセル１０ａの一部を透視図で示している。
【００４３】
図４に示すように、燃料電池診断装置５は、主たる構成要素として、診断制御部５０、前述の電流制御装置５１、増幅回路５３、およびセルモニタ５４を備えている。
【００４４】
診断制御部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。本実施形態の診断制御部５０は、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を有している。
【００４５】
交流成分ΔＩ付加部５１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを介して、燃料電池１０の出力電流に対して、予め定めた基準周波数（例えば、２００Ｈｚ）よりも低い低周波数の交流電流（交流成分ΔＩ）を重畳させる交流重畳部である。
【００４６】
交流成分ΔＩ付加部５１０は、図５に示す波形を有する交流電流を燃料電池１０の出力電流に重畳する。交流電流の周波数としては、１〜２００Ｈｚの低周波数の範囲内に設定されている。なお、交流成分ΔＩ付加部５１０において重畳する交流電流は、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。
【００４７】
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のうち低周波数の交流成分ΔＩｎを算出する。具体的には、ΔＩｎ算出部５４０は、高速フーリエ変換等の手法によって交流成分ΔＩｎを算出する。なお、電流センサ５２ｂは、燃料電池１０に流れる総電流Ｉを検出する電流検出部を構成する。総電流Ｉは、図５に示す燃料電池１０の出力電流と、図５に示す低周波数の交流電流とを含む電流である。
【００４８】
Ｚｎ算出部５２０は、交流重畳部により燃料電池１０の出力電流に交流電流が重畳された状態で、セルモニタ５４の検出値、および電流センサ５２ｂの検出値に基づいて、セルのインピーダンスＺｎを算出するインピーダンス算出部を構成する。
【００４９】
具体的には、Ｚｎ算出部５２０は、増幅回路５３で増幅された出力電圧に基づいて、セル１０ａから出力されるセル電圧のうち、低周波数の交流電圧である交流成分ΔＶをセル１０ａ毎に算出する。本実施形態のＺｎ算出部５２０は、高速フーリエ変換等の手法により交流成分ΔＶを算出する。
【００５０】
そして、本実施形態のＺｎ算出部５２０は、交流成分ΔＶをΔＩｎ算出部５４０で算出された交流成分ΔＩｎで除算して、交流電流に対するセル１０ａのインピーダンスＺｎ（＝ΔＶ／ΔＩｎ）をセル１０ａ毎に算出可能となっている。なお、Ｚｎ算出部５２０で算出するインピーダンスＺｎは、インピーダンスの絶対値である。以降、インピーダンスの絶対値を単にインピーダンスと略称する。
【００５１】
続いて、増幅回路５３は、セルモニタ５４に接続され、セルモニタ５４から出力される電圧を増幅して、Ｚｎ算出部５２０に出力する回路である。セルモニタ５４は、セル１０ａから出力されるセル電圧をセル１０ａ毎に検出するセル電圧検出部である。このため、増幅回路５３では、各セル１０ａから出力されるセル電圧をそれぞれ増幅することになる。
【００５２】
ここで、本実施形態の燃料電池診断装置５は、セルモニタ５４以外にも、電流制御装置５１の電圧センサ５２ａを有している。この電圧センサ５２ａは、燃料電池１０全体、すなわち、複数のセル１０ａの積層体から出力される総電圧を検出する総電圧検出部を構成している。
【００５３】
本実施形態の診断制御部５０は、各セル１０ａのセル電圧に基づいて、燃料欠乏が生じているか否かを診断する。また、本実施形態の診断制御部５０は、燃料欠乏が生じていると診断した際に、当該燃料欠乏に伴って劣化を伴う化学反応が生じているか否かについても診断する。
【００５４】
以下、診断制御部５０による燃料欠乏の診断に関する原理、および燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かの診断に関する原理について説明する。
【００５５】
まず、燃料欠乏の診断に関する原理について説明すると、燃料電池１０の発電時において、燃料電池１０への燃料ガスの供給量が発電に必要とされる必要供給量を満たす正常時には、各セル１０ａにて前述の式１、式２の電気化学反応が生ずる。この際、各セル１０ａのセル電圧は、正電圧（＋１．０Ｖ程度）となる。
【００５６】
一方、燃料電池１０への燃料ガスの供給量が発電に必要とされる必要供給量よりも少ない燃料欠乏時には、セル１０ａにおけるアノード側の電位が上昇する。これにより、一部のセル１０ａのセル電圧が負電圧（アノード側の電位＞カソード側の電位）となってしまうことがある。各セル１０ａのうち、負電圧となるセル１０ａは、外部に対して何ら仕事をしないことから、燃料電池１０の発電効率の低下を招く要因となる。
【００５７】
そこで、本実施形態の診断制御部５０は、セルモニタ５４の検出値に基づいて、各セル１０ａのうち、セル電圧が負電圧となるセル１０ａがある場合に燃料欠乏が生じていると判定する構成となっている。燃料欠乏は、氷点下等の低温環境下において生じやすい。理由は、低温環境下では、水素流路１１１、アノード側触媒層１０２ａ、ガス拡散層１０３ａ等に残留する生成水が凍結し、水素流路１１１等が閉塞しやすいからである。
【００５８】
続いて、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かの診断に関する原理について説明する。各セル１０ａのうち、燃料欠乏により負電圧となるセル１０ａに隣接するセル１０ａが正電圧である場合、正電圧となるセル１０ａでは、正常に発電が行われているため、負電圧となるセル１０ａにおいても電流を発生させようとする。
【００５９】
ところが、負電圧となるセル１０ａでは、燃料ガスが不足しているので、アノード電極側にて式１に示す電気化学反応が生じない。代わりに、負電圧となるセル１０ａでは、以下の式３、式４に示す水電解反応や、式５、式６に示すアノードカーボン酸化反応が生ずる。
【００６０】
（アノード側）２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−        ・・・（式３）
（カソード側）Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ        ・・・（式４）
（アノード側）Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  ・・・（式５）
（カソード側）Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ        ・・・（式６）
上述の式３に示す水電解反応、および式５に示すカーボン酸化反応は、セル電圧が負電圧となる際に生ずる。式３に示す水電解反応は、セル電圧が０〜−４Ｖ程度で生じ、それ以下の電圧域で式５に示すカーボン酸化反応で生ずる傾向がある。
【００６１】
ここで、式５に示すカーボン酸化反応は、アノード電極を構成するアノード側触媒層１０２ａの担持カーボン１０２ｄが酸化する化学反応であり、アノード側触媒層１０２ａが劣化する要因となる。すなわち、式５に示すカーボン酸化反応は、セル１０ａの劣化を伴う化学反応となる。そして、式５に示すカーボン酸化反応は、式３に示す水電解反応と異なり、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。なお、式３に示す水電解反応は、可逆反応であり、セル１０ａの劣化を伴わない化学反応となる。
【００６２】
上述したように、式５に示すカーボン酸化反応は、式３に示す水電解反応が生ずる電圧域以下で生ずる傾向がある。このため、負電圧となるセル１０ａのセル電圧に基づいて、燃料欠乏時にアノード側にて劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定することが考えられる。
【００６３】
しかしながら、燃料欠乏による水電解反応は、燃料電池１０から出力される電流密度が低い低負荷時と燃料電池１０から出力される電流密度が高い高負荷時とで生ずる電圧域が異なる。すなわち、図６に示すように、燃料欠乏による水電解反応は、燃料電池１０から出力される電流密度が低い低負荷時に、電流密度が高い高負荷時に比べて電圧域が拡大する傾向がある。これは、電流密度の低下に伴い燃料電池１０の電気抵抗が大きくなることで反応速度が遅くなってしまうからである。
【００６４】
また、燃料欠乏による水電解反応は、燃料電池１０の温度が低い場合と燃料電池１０の温度が高い場合とで生ずる電圧域が異なる。すなわち、図７に示すように、燃料欠乏による水電解反応は、燃料電池１０の温度が低い場合に、温度が高い場合に比べて電圧域が大きく拡大する傾向がある。これは、燃料電池１０の温度の低下に伴い燃料電池１０の電気抵抗が大きくなることで反応速度が遅くなってしまうからである。
【００６５】
このように、燃料電池１０では、電流密度や温度に応じて燃料欠乏による水電解反応が生ずる電圧域が異なる。このため、負電圧となるセル１０ａのセル電圧に基づいて、燃料欠乏時にアノード側における化学反応が劣化を伴うか否かを判定することは難しい。
【００６６】
これに対して、図６、図７に示すように、式５に示すカーボン酸化反応が生じている場合、式３に示す水電解反応が生じている場合に比べて、セル１０ａの低周波インピーダンスが著しく大きくなる傾向がある。これは、アノード側触媒層１０２ａにてカーボン酸化反応が生ずることでセル１０ａにおける反応抵抗が増大することによると考えられる。
【００６７】
そこで、本実施形態の診断制御部５０は、燃料電池１０の出力電流に対して低周波数の交流電流を重畳させた際の負電圧となるセル１０ａのインピーダンスに基づいて、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する構成となっている。
【００６８】
次に、本実施形態の燃料電池診断装置５が実行する燃料欠乏の判定処理について、図８のフローチャートを参照して説明する。図８に示す制御ルーチンは、燃料電池１０が起動した際に、燃料電池診断装置５により実行される。
【００６９】
図８に示すように、燃料欠乏の判定処理では、まず、各種センサの検出信号を読み込む（Ｓ１０１）。具体的には、温度センサ４６、電圧センサ５２ａ、電流センサ５２ｂ、セルモニタ５４の検出信号を読み込む。
【００７０】
続いて、燃料電池１０の温度が氷点下であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。具体的には、ステップＳ１０２では、温度センサ４６の検出温度が、０℃を下回っているか否かを判定する。
【００７１】
ステップＳ１０２の判定処理の結果、燃料電池１０の温度が氷点下でないと判定された場合、生成水の凍結による水素流路１１１等の閉塞が生じ難いことから、燃料欠乏の判定処理を抜ける。
【００７２】
一方、ステップＳ１０２の判定処理の結果、燃料電池１０の温度が氷点下であると判定された場合、セルモニタ５４にて検出した各セル１０ａのセル電圧が、負電圧に設定された基準電圧（例えば、−０．１Ｖ）以下であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。なお、基準電圧は、各セル１０ａのうち、セル電圧が負電圧となるセル１０ａが存在するか否かを判定するための判定閾値である。
【００７３】
ステップＳ１０３の判定処理の結果、各セル１０ａのうち、セル電圧が負電圧となるセル１０ａが存在しないと判定された場合、燃料欠乏なしと判定し（Ｓ１０４）、燃料欠乏の判定処理を抜ける。
【００７４】
一方、ステップＳ１０３の判定処理の結果、各セル１０ａのうち、セル電圧が負電圧となるセル１０ａが存在すると判定された場合、燃料欠乏ありと判定する（Ｓ１０５）。そして、各セル１０ａのうち、負電圧となるセル１０ａを診断対象セルに決定する（Ｓ１０６）。なお、各セル１０ａのうち、負電圧となるセル１０ａが複数存在する場合には、例えば、最も電圧の低いセル１０ａを診断対象セルに決定する。
【００７５】
続いて、診断制御部５０にて診断対象セルのインピーダンスＺｎを算出する（Ｓ１０７）。具体的には、交流成分ΔＩ付加部５１０にて燃料電池１０の出力電流に低周波数の交流電流を重畳させた状態で、セルモニタ５４にて検出された診断対象セルのセル電圧、電流センサ５２ｂの検出値に基づいて、診断対象セルのインピーダンスＺｎを算出する。
【００７６】
続いて、診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定するための判定閾値であるインピーダンス判定閾値Ｚｔｈを決定する（Ｓ１０８）。ステップＳ１０８の処理では、診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じている際のセル１０ａのインピーダンスをインピーダンス判定閾値Ｚｔｈに決定する。
【００７７】
ここで、図６、図７に示すように、燃料欠乏時には、電流密度や温度の低下に伴って負電圧となるセル１０ａのインピーダンスが若干増加する。このため、本実施形態では、ステップＳ１０８の処理にて、電流密度および温度の少なくとも一方の低下に伴って、インピーダンス判定閾値Ｚｔｈを大きくしている。なお、電流密度や温度の低下に伴って変更するインピーダンス判定閾値Ｚｔｈの大きさは、例えば、予め電流密度や温度の低下量とインピーダンスの増加量との関係を規定した制御マップを参照して決定する。
【００７８】
続いて、ステップＳ１０７で算出した診断対象セルのインピーダンスＺｎが、ステップＳ１０８で決定したインピーダンス判定閾値Ｚｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ１０９）。
【００７９】
ステップＳ１０９の判定処理の結果、診断対象セルのインピーダンスＺｎがインピーダンス判定閾値Ｚｔｈ以下であると判定された場合、診断対象セルでは劣化を伴わない水電解反応が生じている判定し（Ｓ１１０）、ステップＳ２０１の処理に戻る。すなわち、本実施形態は、燃料欠乏状態であっても水電解反応が生じていると診断された場合は、燃料欠乏を回避する制御を行わない。この点について説明すると、燃料欠乏を回避する制御は、燃料電池１０の燃料消費量が著しく増大したり、燃料電池１０の起動時間が著しく長くなったりする要因となることがある。これを避けるために、本実施形態では、燃料欠乏状態であっても水電解反応が生じていると診断された場合に、燃料欠乏を回避する制御を行わないのである。
【００８０】
一方、ステップＳ１０９の判定処理の結果、診断対象セルのインピーダンスＺｎがインピーダンス判定閾値Ｚｔｈよりも大きいと判定された場合、診断対象セルではアノード側で劣化を伴うカーボン酸化反応が生じていると判定する（Ｓ１１１）。なお、ステップＳ１１１の処理では、燃料電池１０を起動してから診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された回数をカウントする。
【００８１】
続いて、ステップＳ１１１にて診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された回数がＮ回目（例えば、２〜３回目）以上であるか否かを判定する（Ｓ１１２）。すなわち、ステップＳ１１２では、燃料電池１０を起動してから繰り返し診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定されているか否かを判定する。
【００８２】
ステップＳ１１２の判定処理の結果、診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された回数がＮ回目以上でないと判定された場合、燃料欠乏を回避する回避制御を実行し（Ｓ１１３）、ステップＳ２０１の処理に戻る。
【００８３】
具体的には、回避制御では、水素調圧弁３３の開度、および電磁弁３４の開度の双方を大きくして、高圧水素タンク３２から燃料電池１０に供給する燃料ガスの供給量を増加させる。これにより、測定対象セルにおける燃料欠乏を回避することが可能となる。
【００８４】
ここで、本実施形態の如く、低温環境下で燃料欠乏が生じている場合、生成水の凍結により水素流路１１１が閉塞している可能性が高いと考えられる。このため、回避制御としては、燃料電池１０の発電効率を低下させて燃料電池１０を暖機することで、生成水の凍結を解消して燃料欠乏を回避するようにしてもよい。
【００８５】
一方、ステップＳ１１２の判定処理の結果、診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された回数がＮ回目以上であると判定された場合、燃料電池１０の劣化の進行を抑えるために、燃料電池１０の運転を停止する（Ｓ１１４）。
【００８６】
ここで、図８に示すフローチャートの各ステップは、燃料電池診断装置５により実現されるものであり、各ステップで実現される機能それぞれを機能実現部として解釈することができる。
【００８７】
例えば、本実施形態では、ステップＳ１０３で実行する判定処理が、各セル１０ａのうち負電圧となるセルがある場合に燃料欠乏が生じていると判定する燃料欠乏判定部を構成する。
【００８８】
また、本実施形態では、ステップＳ１０６で実行する処理が負電圧となるセルを診断対象セルに設定する対象セル決定部を構成し、ステップＳ１０８で実行する処理がインピーダンス判定閾値Ｚｔｈを決定する閾値決定部を構成する。
【００８９】
さらに、本実施形態では、ステップＳ１０９で実行する判定処理が診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する劣化判定部を構成し、ステップＳ１１２〜Ｓ１１４で実行する処理が燃料欠乏を回避する回避制御を実行する回避制御部を構成する。
【００９０】
以上説明した本実施形態の燃料電池診断装置５は、負電圧となる診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを、診断対象セルのインピーダンスと所定のインピーダンス判定閾値とを比較して判定する構成となっている。
【００９１】
これによれば、燃料欠乏時に劣化を伴わない水電解反応が生じている場合と、燃料欠乏時に劣化を伴うアノードカーボン酸化反応が生じている場合とを切り分けた診断が可能となる。従って、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かを診断可能な燃料電池診断装置を実現することができる。
【００９２】
ここで、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流（電流密度）が低下すると、負電圧となるセルの電気抵抗が大きくなる。このため、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流の低下に伴って負電圧となるセル１０ａのインピーダンスが大きくなる。
【００９３】
そこで、本実施形態では、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流の低下に伴って、インピーダンス判定閾値Ｚｔｈを大きくしている。このように、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流に応じて、診断対象セルのインピーダンスの判定閾値を変化させることで、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かの診断精度の向上を図ることが可能となる。
【００９４】
また、本実施形態では、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じていると判定された場合に、燃料欠乏を回避する回避制御を実行する構成としている。これによれば、燃料電池１０の劣化を抑えて、燃料電池１０の寿命を延ばすことが可能となる。
【００９５】
さらに、本実施形態では、繰り返し燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生ずる場合に燃料電池１０の運転（作動）を停止させる構成としている。これによれば、燃料電池１０の劣化の進行を確実に抑えることが可能となる。
【００９６】
（第１実施形態の変形例）
上述の第１実施形態では、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流の低下に伴って、インピーダンス判定閾値Ｚｔｈを大きくする例について説明したが、診断対象セルのインピーダンスを補正してもよい。
【００９７】
以下、本変形例における燃料欠乏の判定処理について、図９を参照して説明する。図９は、図８に示すフローチャートに対応している。図９に示すステップＳ１０８Ａ、Ｓ１０９Ａ以外の処理は、第１実施形態と同様であることから、その説明を省略する。
【００９８】
図９に示すように、本変形例の燃料欠乏の判定処理では、ステップＳ１０７にて診断対象セルのインピーダンスＺｎを算出した後、当該インピーダンスＺｎの補正値Ｚｎｃを決定する（Ｓ１０８Ａ）。
【００９９】
具体的には、ステップＳ１０８Ａの処理では、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流の低下に伴って、診断対象セルのインピーダンスを小さい値に補正する。なお、補正値Ｚｎｃは、例えば、予め電流密度や温度の低下量とインピーダンスの増加量との関係を規定した制御マップを参照して、インピーダンスの増加量を算出し、当該増加量分を診断対象セルのインピーダンスから減算した値に決定する。
【０１００】
続いて、ステップＳ１０８Ａの処理で補正した診断対象セルのインピーダンスＺｎｃがインピーダンス判定閾値Ｚｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ１０９Ａ）。なお、本変形例のインピーダンス判定閾値Ｚｔｈは予め定めた固定値としている。
【０１０１】
ステップＳ１０９Ａの判定処理の結果、診断対象セルのインピーダンスＺｎｃがインピーダンス判定閾値Ｚｔｈ以下であると判定された場合、診断対象セルで劣化を伴わない水電解反応が生じている判定する（Ｓ１１０）。
【０１０２】
一方、ステップＳ１０９Ａの判定処理の結果、診断対象セルのインピーダンスＺｎがインピーダンス判定閾値Ｚｔｈよりも大きいと判定された場合には、診断対象セルではアノード側で劣化を伴うカーボン酸化反応が生じていると判定する（Ｓ１１１）。
【０１０３】
ここで、本実施形態では、ステップＳ１０８Ａで実行する処理が診断対象セルのインピーダンスを補正する補正部を構成し、ステップＳ１０９Ａで実行する判定処理が診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する劣化判定部を構成する。
【０１０４】
その他の構成は、第１実施形態と同様である。本変形例では、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流に応じて、診断対象セルのインピーダンスの値を補正する構成としている。これによれば、第１実施形態と同様に、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かの診断精度の向上を図ることが可能となる。
【０１０５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図１０を参照して説明する。本実施形態では、診断対象セルのインピーダンスと基準対象セルのインピーダンスとの差分に基づいて、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する点が第１実施形態と相違している。
【０１０６】
以下、本実施形態の燃料欠乏の判定処理について、図１０を参照して説明する。図１０は、図８に示すフローチャートに対応している。なお、図１０に示す各ステップのうち、第１実施形態で説明した処理と同様となる処理について、その説明を簡略化して説明する。
【０１０７】
図１０に示すように、燃料欠乏の判定処理では、まず、各種センサの検出信号を読み込む（Ｓ２０１）。そして、燃料電池１０の温度が氷点下であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。この結果、燃料電池１０の温度が氷点下でないと判定された場合、生成水の凍結による水素流路１１１等の閉塞が生じ難いことから、燃料欠乏の判定処理を抜ける。
【０１０８】
一方、ステップＳ２０２の判定処理の結果、燃料電池１０の温度が氷点下であると判定された場合、セルモニタ５４にて検出した各セル１０ａのセル電圧が、負電圧に設定された基準電圧以下であるか否かを判定する（Ｓ２０３）。
【０１０９】
この結果、各セル１０ａのうち、セル電圧が負電圧となるセル１０ａが存在しないと判定された場合、燃料欠乏なしと判定し（Ｓ２０４）、燃料欠乏の判定処理を抜ける。一方、各セル１０ａのうち、セル電圧が負電圧となるセル１０ａが存在すると判定された場合、燃料欠乏ありと判定する（Ｓ２０５）。
【０１１０】
続いて、各セル１０ａのうち、負電圧となるセル１０ａを診断対象セルに決定する（Ｓ２０６）。また、ステップＳ２０６の処理では、診断対象セルよりも燃料欠乏の影響の小さいセルを基準対象セルに決定する。
【０１１１】
具体的には、本実施形態では、各セル１０ａのうち、正電圧となるセル１０ａを基準対象セルに決定する。なお、各セル１０ａのうち、正電圧となるセル１０ａが複数存在する場合には、例えば、最も電圧の高いセル１０ａを診断対象セルに決定する。
【０１１２】
続いて、診断制御部５０にて診断対象セルおよび基準対象セルのインピーダンスＺｎの差分ΔＺｎを算出する（Ｓ２０７）。具体的には、交流成分ΔＩ付加部５１０にて燃料電池１０の出力電流に低周波数の交流電流を重畳させた状態で、セルモニタ５４にて検出された各対象セルのセル電圧、電流センサ５２ｂの検出値に基づいて、各対象セルのインピーダンスＺｎを算出する。そして、基準対象セルのインピーダンスＺｎから診断対象セルのインピーダンスＺｎを減算することで、各対象セルのインピーダンスの差分ΔＺｎを算出する。なお、本実施形態では、基準対象セルのインピーダンスＺｎが、診断対象セルよりも燃料欠乏の影響の小さいセルのインピーダンスＺｎ、すなわち、基準インピーダンスとなる。
【０１１３】
続いて、診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定するための判定閾値である差分判定閾値ΔＺｔｈを決定する（Ｓ２０８）。ステップＳ２０８の処理では、診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じている際のインピーダンスと正常時のセルのインピーダンスとの差分を差分判定閾値ΔＺｔｈに決定する。
【０１１４】
ここで、第１実施形態で説明したように、燃料欠乏時には、電流密度や温度の低下に伴って負電圧となるセル１０ａのインピーダンスが若干増加する。これにより、燃料欠乏時には、電流密度や温度の低下に伴って診断対象セルのインピーダンスと基準インピーダンスとの差分も若干増加する。
【０１１５】
そこで、本実施形態では、ステップＳ２０８の処理にて、電流密度および温度の少なくとも一方の低下に伴って、差分判定閾値ΔＺｔｈを大きくしている。なお、電流密度や温度の低下に伴って変更する差分判定閾値ΔＺｔｈの大きさは、例えば、予め電流密度や温度の低下量とインピーダンスの増加量との関係を規定した制御マップを参照して決定する。
【０１１６】
続いて、ステップＳ２０７で算出した診断対象セルおよび基準対象セルのインピーダンスＺｎの差分ΔＺｎが、ステップＳ２０８で決定した差分判定閾値ΔＺｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ２０９）。
【０１１７】
この結果、診断対象セルおよび基準対象セルのインピーダンスＺｎの差分ΔＺｎが差分判定閾値ΔＺｔｈ以下であると判定された場合、診断対象セルで劣化を伴わない水電解反応が生じている判定し（Ｓ２１０）、ステップＳ２０１の処理に戻る。すなわち、本実施形態は、燃料欠乏状態であっても水電解反応が生じていると診断された場合は、燃料欠乏を回避する制御を行わない。
【０１１８】
一方、診断対象セルおよび基準対象セルのインピーダンスＺｎの差分ΔＺｎが差分判定閾値ΔＺｔｈよりも大きいと判定された場合、診断対象セルではアノード側で劣化を伴うカーボン酸化反応が生じていると判定する（Ｓ２１１）。なお、ステップＳ２１１の処理では、燃料電池１０を起動してから診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された回数をカウントする。
【０１１９】
続いて、ステップＳ２１１にて診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された回数がＮ回目（例えば、２〜３回目）以上であるか否かを判定する（Ｓ２１２）。この結果、診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された回数がＮ回目以上でないと判定された場合、燃料欠乏を回避する回避制御を実行し（Ｓ２１３）、ステップＳ２０１の処理に戻る。一方、ステップＳ２１２の判定処理の結果、診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された回数がＮ回目以上であると判定された場合、燃料電池１０の劣化の進行を抑えるために、燃料電池１０の運転を停止する（Ｓ２１４）。
【０１２０】
その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態では、負電圧となる診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを、診断対象セルおよび基準対象セルのインピーダンスＺｎの差分ΔＺｎと所定の差分判定閾値ΔＺｔｈとを比較して判定する構成となっている。
【０１２１】
これによれば、燃料欠乏時に劣化を伴わない化学反応が生じている場合と、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じている場合とを切り分けた診断が可能となる。従って、本実施形態の構成によれば、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かを診断可能な燃料電池診断装置を実現することができる。
【０１２２】
また、本実施形態では、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流の低下に伴って、差分判定閾値ΔＺｔｈを大きくしている。このように、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流に応じて、差分判定閾値ΔＺｔｈを変化させることで、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かの診断精度の向上を図ることが可能となる。
【０１２３】
また、本実施形態では、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じていると判定された場合に、燃料欠乏を回避する回避制御を実行するので、燃料電池１０の劣化を抑えて、燃料電池１０の寿命を延ばすことが可能となる。
【０１２４】
さらに、本実施形態では、繰り返し燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生ずる場合に燃料電池１０の運転（作動）を停止させる構成としているので、燃料電池１０の劣化の進行を確実に抑えることが可能となる。
【０１２５】
ここで、本実施形態では、各セル１０ａのうち、正電圧となるセル１０ａを基準対象セルとし、当該基準対象セルのインピーダンスを基準インピーダンスとする例について説明したが、これに限定されない。
【０１２６】
例えば、燃料電池１０全体のインピーダンスを算出し、当該インピーダンスを燃料電池１０のセル１０ａの数で除算した値を、診断対象セルよりも燃料欠乏の影響の小さいセルのインピーダンス、すなわち、基準インピーダンスとしてもよい。なお、燃料電池１０全体のインピーダンスは、Ｚｎ算出部５２０において電圧センサ５２ａの検出電圧に基づき総電圧のうち低周波数の交流電圧である交流成分Ｖを算出し、当該交流成分Ｖを交流成分ΔＩｎで除算することで算出可能である。
【０１２７】
また、燃料電池１０における水素入口部１２ａに近いセル１０ａでは、燃料ガスの供給量が不足し難いことから、水素入口部１２ａから離れたセル１０ａに比べて、燃料欠乏の影響が小さい傾向がある。このため、各セル１０ａのうち、水素入口部１２ａに近いセル１０ａを基準対象セルに決定し、当該基準対象セルのインピーダンスを基準インピーダンスとしてもよい。
【０１２８】
（第２実施形態の変形例）
上述の第２実施形態では、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流の低下に伴って、差分判定閾値ΔＺｔｈを大きくする例について説明したが、診断対象セルのインピーダンスおよび基準インピーダンスの差分ΔＺｎを補正してもよい。
【０１２９】
以下、本変形例における燃料欠乏の判定処理について、図１１を参照して説明する。図１１は、図８１０に示すフローチャートに対応している。図１１に示すステップＳ２０８Ａ、Ｓ２０９Ａ以外の処理は、第２実施形態と同様であることから、その説明を省略する。
【０１３０】
図１１に示すように、本変形例の燃料欠乏の判定処理では、ステップＳ２０７にて診断対象セルおよび基準対象セルのインピーダンスＺｎの差分ΔＺｎを算出した後、当該差分ΔＺｎの補正値ΔＺｎｃを決定する（Ｓ２０８Ａ）。
【０１３１】
ステップＳ２０８Ａの処理では、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流の低下に伴って、診断対象セルおよび基準対象セルのインピーダンスＺｎの差分ΔＺｎを小さい値に補正する。なお、補正値ΔＺｎｃは、例えば、予め電流密度や温度の低下量とインピーダンスの増加量との関係を規定した制御マップを参照して、インピーダンスの増加量を算出し、当該増加量分を各対象セルのインピーダンスＺｎの差分ΔＺｎから減算した値に決定する。
【０１３２】
続いて、ステップＳ２０８Ａの処理で補正した各対象セルのインピーダンスＺｎの差分Ｚｎｃが差分判定閾値Ｚｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ２０９Ａ）。なお、本変形例のインピーダンス判定閾値Ｚｔｈは予め定めた固定値としている。
【０１３３】
ステップＳ２０９Ａの判定処理の結果、各対象セルのインピーダンスＺｎｃの差分ΔＺｎｃが差分判定閾値Ｚｔｈ以下であると判定された場合、診断対象セルで劣化を伴わない水電解反応が生じている判定する（Ｓ２１０）。
【０１３４】
一方、ステップＳ２０９Ａの判定処理の結果、各対象セルのインピーダンスＺｎの差分ΔＺｎｃが差分判定閾値Ｚｔｈよりも大きいと判定された場合には、診断対象セルではアノード側で劣化を伴うカーボン酸化反応が生じていると判定する（Ｓ２１１）。
【０１３５】
ここで、本実施形態では、ステップＳ２０８Ａで実行する処理が診断対象セルのインピーダンスを補正する補正部を構成し、ステップＳ２０９Ａで実行する判定処理が診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する劣化判定部を構成する。
【０１３６】
その他の構成は、第２実施形態と同様である。本変形例では、燃料電池１０の温度や、燃料電池１０を流れる電流に応じて、各対象セルのインピーダンスＺｎの差分ΔＺｎを補正する構成としている。これによれば、第２実施形態と同様に、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かの診断精度の向上を図ることが可能となる。
【０１３７】
（他の実施形態）
以上、本発明の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。例えば、以下のように種々変形可能である。
【０１３８】
（１）上述の各実施形態では、燃料電池自動車の燃料電池システム１に対して燃料電池診断装置５を適用する例について説明したが、これに限定されない。例えば、定置型の燃料電池システム１に対して燃料電池診断装置５を適用してもよい。
【０１３９】
（２）上述の各実施形態では、氷点下等の低温環境下において、燃料欠乏の診断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。燃料欠乏は、水素流路１１１、アノード側触媒層１０２ａ、ガス拡散層１０３ａ等に残留する生成水の凍結に限らず、水素流路１１１等に残留する生成水によって、水素流路１１１における圧力損失が増大した場合にも生ずる。このため、低温環境下以外にも燃料欠乏の診断処理を実行してもよい。
【０１４０】
（３）上述の第１実施形態の如く、燃料電池１０の温度や燃料電池１０を流れる電流に応じて、インピーダンス判定閾値や、診断対象セルのインピーダンスを補正することが望ましいが、これに限定されない。例えば、燃料電池１０の温度や燃料電池１０を流れる電流に応じてインピーダンス判定閾値や、診断対象セルのインピーダンスの補正を行わないようにしてもよい。
【０１４１】
（４）上述の第２実施形態の如く、燃料電池１０の温度や燃料電池１０を流れる電流に応じて、差分判定閾値や、各対象セルのインピーダンスの差分を補正することが望ましいが、これに限定されない。例えば、燃料電池１０の温度や燃料電池１０を流れる電流に応じて差分判定閾値や、各対象セルのインピーダンスの差分の補正を行わないようにしてもよい。
【０１４２】
（５）上述の各実施形態の如く、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じていると判定された場合に、燃料欠乏を回避する回避制御を実行することが望ましいが、これに限定されない。例えば、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じていると判定された場合に、燃料電池１０の作動を停止してもよい。
【０１４３】
（６）上述の各実施形態の如く、繰り返し燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生ずる場合に、燃料電池１０の作動を停止することが望ましいが、これに限定されない。例えば、繰り返し燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生ずる度に、燃料ガスの供給量を増加させるようにしてもよい。
【０１４４】
（７）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。
【０１４５】
（８）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。
【０１４６】
（９）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。
【符号の説明】
【０１４７】
１０                燃料電池
１０ａ              燃料電池セル
５１                電流制御装置
５２ｂ              電流センサ（電流検出部）
５４                セルモニタ（セル電圧検出部）
５１０              交流成分ΔＩ付加部（交流重畳部）
５２０              Ｚｎ算出部（インピーダンス算出部）
Ｓ１０３            燃料欠乏判定部
Ｓ１０６、Ｓ２０６  対象セル決定部
Ｓ１０９、Ｓ１０９Ａ、Ｓ２０９、Ｓ２０９Ａ  劣化判定部
【図１】
0006569464.tif 000002
【図２】
0006569464.tif 000003
【図３】
0006569464.tif 000004
【図４】
0006569464.tif 000005
【図５】
0006569464.tif 000006
【図６】
0006569464.tif 000007
【図７】
0006569464.tif 000008
【図８】
0006569464.tif 000009
【図９】
0006569464.tif 000010
【図１０】
0006569464.tif 000011
【図１１】
0006569464.tif 000012