(57)【要約】【課題】燃料電池の内部水分状態を正確に診断することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ１２と、燃料電池１０に供給される空気流量を検出するエアフロセンサ２４と、カソード排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ２５と、カソード排ガスの全圧を検出する圧力センサ２６とを備える燃料電池システムであって、カソード排ガス中の酸素濃度と全圧とから、カソード排ガス中の酸素分圧を取得し、カソード排ガスの全圧から酸素分圧と窒素分圧とを減算して、カソード排ガス中の水蒸気分圧を取得し、水蒸気分圧と空気流量とからカソード排ガスに含まれる水分量を排水量として取得し、燃料電池１０の出力電流に基づいて電気化学反応で生成する生成水量を取得し、生成水量から排水量を減算して残留水量を取得し、残留水量に基づいて燃料電池１０内部における水分状態を診断する。【選択図】図１
2008130308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素と水素を電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）の出力電流を検出する電流検出手段（１２）と、
前記燃料電池（１０）のカソード側に供給される空気であるカソード供給ガスの流量を検出する流量検出手段（２４）と、
前記燃料電池（１０）のカソード側から排出されるカソード排ガス中の酸素濃度を検出する排ガス酸素濃度検出手段（２５）と、
前記カソード排ガスの全圧を検出する排ガス圧力検出手段（２６）とを備える燃料電池システムであって、
前記排ガス酸素濃度検出手段（２５）により検出した前記カソード排ガス中の酸素濃度と前記排ガス圧力検出手段（２６）により検出した前記カソード排ガスの全圧とから、前記カソード排ガス中の酸素分圧を取得する排ガス酸素分圧取得手段と、
前記カソード排ガスにおける窒素分圧を取得する排ガス窒素分圧取得手段と、
前記カソード排ガスの全圧から前記酸素分圧と前記窒素分圧とを減算して、前記カソード排ガス中の水蒸気分圧を取得する排ガス水蒸気分圧取得手段と、
前記水蒸気分圧と前記流量検出手段（２４）により検出された空気流量とから前記カソード排ガスに含まれる水分量を排水量として取得する排水量取得手段と、
前記燃料電池（１０）の出力電流に基づいて前記電気化学反応で生成する生成水量を取得し、前記生成水量から前記排水量を減算して前記燃料電池（１０）内部における残留水量を取得する残留水量取得手段と、
前記残留水量取得手段により取得された前記残留水量に基づいて前記燃料電池（１０）内部における水分状態を診断する水分状態診断手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
酸素と水素を電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）の出力電流を検出する電流検出手段（１２）と、
前記燃料電池（１０）のカソード側に供給される空気の流量を検出する流量検出手段（２４）と、
前記カソード排ガスの全圧を検出する圧力検出手段（２６）とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）の出力電流に基づいて前記電気化学反応による消費酸素量を取得し、空気中の酸素量から前記消費酸素量を減算して前記カソード排ガス中の酸素濃度を取得する排ガス酸素濃度取得手段と、
前記酸素濃度取得手段により取得した前記カソード排ガス中の酸素濃度と前記圧力検出手段（２６）により検出した前記カソード排ガスの全圧とから、前記カソード排ガス中の酸素分圧を取得する排ガス酸素分圧取得手段と、
前記カソード排ガスにおける窒素分圧を取得する排ガス窒素分圧取得手段と、
前記カソード排ガスの全圧から前記酸素分圧と前記窒素分圧を減算して水蒸気分圧を取得する排ガス水蒸気分圧取得手段と、
前記水蒸気分圧と前記流量検出手段（２４）により検出された空気流量とから前記カソード排ガスに水蒸気として含まれる排水量を取得する排水量取得手段と、
前記燃料電池（１０）の出力電流に基づいて前記電気化学反応で生成する生成水量を取得し、前記生成水量から前記排水量を減算して前記燃料電池（１０）内部における残留水量を取得する残留水量取得手段と、
前記残留水量取得手段により取得された前記残留水量に基づいて前記燃料電池（１０）内部における水分状態を診断する水分状態診断手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記カソード供給ガスを加湿する加湿手段（２２）と、
前記加湿手段（２２）で加湿された前記カソード供給ガスの酸素濃度を検出する供給ガス酸素濃度検出手段（２７）と、
前記加湿手段（２２）で加湿された前記カソード供給ガスの全圧を検出する供給ガス圧力検出手段（２８）と、
前記供給ガス酸素濃度検出手段（２７）により検出した前記カソード供給ガス中の酸素濃度と前記供給ガス圧力検出手段（２８）により検出した前記カソード供給ガスの全圧とから、前記カソード供給ガス中の酸素分圧を取得する供給ガス酸素分圧取得手段と、
前記カソード供給ガスにおける窒素分圧を取得する供給ガス窒素分圧取得手段と、
前記カソード供給ガスの全圧から前記酸素分圧と前記窒素分圧とを減算して、前記カソード供給ガス中の水蒸気分圧を取得する供給ガス水蒸気分圧取得手段と、
前記カソード供給ガス中の水蒸気分圧と前記流量検出手段（２４）により検出された空気流量とから前記カソード供給ガスに含まれる水分量を加湿量として取得する加湿量取得手段とを備え、
前記残留水量取得手段は、前記生成水量に前記加湿量を加算した値から前記排水量を減算して前記燃料電池（１０）内部における残留水量を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池（１０）の運転を停止させる際に、前記燃料電池（１０）の空気極の乾燥処理を行うパージ手段を備え、
前記パージ手段は、前記排ガス酸素濃度取得手段により取得したアノード排ガス中の酸素濃度が所定値を下回っている場合に、前記乾燥処理を行うことを特徴とする請求項１ないし３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に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、燃料電池内部の電解質膜の導電率を維持するために加湿する必要がある。燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。
【０００３】
このため、燃料電池の内部水分量を診断する方法として、ガス循環系の静圧、全圧、温度から水蒸気分圧を算出する方法（特許文献１参照）や、燃料電池カソード側に供給される空気流量、燃料電池温度、燃料電池の発電量から燃料電池からの排水量を算出し、燃料電池内部における生成水量と排水量からセル内部の水分を推定する方法（特許文献２参照）が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−３９３９８号公報
【特許文献２】特開２００４−３４２４７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ガス圧力を検出する特許文献１の構成では、燃料電池のカソード側では、発電量により酸素消費量が変化してガス流量が変化して圧損等の影響を受けるため、圧力検知による水蒸気検出は精度に欠けるという問題がある。また、排水量の算出に温度を用いる特許文献２の構成では、温度によって水分蒸発量が一定でないため、精度に欠けるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、燃料電池の内部水分状態を正確に診断することができる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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、酸素と水素を電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）の出力電流を検出する電流検出手段（１２）と、燃料電池（１０）のカソード側に供給される空気であるカソード供給ガスの流量を検出する流量検出手段（２４）と、燃料電池（１０）のカソード側から排出されるカソード排ガス中の酸素濃度を検出する排ガス酸素濃度検出手段（２５）と、カソード排ガスの全圧を検出する排ガス圧力検出手段（２６）とを備える燃料電池システムであって、
カソード排ガス中の酸素濃度とカソード排ガスの全圧とから、カソード排ガス中の酸素分圧を取得する排ガス酸素分圧取得手段と、カソード排ガスにおける窒素分圧を取得する排ガス窒素分圧取得手段と、カソード排ガスの全圧から酸素分圧と窒素分圧とを減算して、カソード排ガス中の水蒸気分圧を取得する排ガス水蒸気分圧取得手段と、水蒸気分圧と流量検出手段（２４）により検出された空気流量とからカソード排ガスに含まれる水分量を排水量として取得する排水量取得手段と、燃料電池（１０）の出力電流に基づいて電気化学反応で生成する生成水量を取得し、生成水量から排水量を減算して燃料電池（１０）内部における残留水量を取得する残留水量取得手段と、残留水量取得手段により取得された残留水量に基づいて燃料電池（１０）内部における水分状態を診断する水分状態診断手段とを備えることである。
【０００７】
このように、カソード供給ガスの流量を測定し、カソード排ガスの酸素濃度と圧力を測定することで、燃料電池（１０）内部の水分状態を精度よく診断することができる。
【０００８】
また、燃料電池（１０）の出力電流に基づいて電気化学反応による消費酸素量を取得し、空気中の酸素量から消費酸素量を減算してカソード排ガス中の酸素濃度を取得する排ガス酸素濃度取得手段を設けることで、カソード排ガス中の酸素濃度を検出する排ガス酸素濃度検出手段（２５）を省略することができる。
【０００９】
また、本発明の第２の特徴は、カソード供給ガスを加湿する加湿手段（２２）と、加湿手段（２２）で加湿されたカソード供給ガスの酸素濃度を検出する供給ガス酸素濃度検出手段（２７）と、加湿手段（２２）で加湿されたカソード供給ガスの全圧を検出する供給ガス圧力検出手段（２８）と、供給ガス酸素濃度検出手段（２７）により検出したカソード供給ガス中の酸素濃度と供給ガス圧力検出手段（２８）により検出したカソード供給ガスの全圧とから、カソード供給ガス中の酸素分圧を取得する供給ガス酸素分圧取得手段と、カソード供給ガスの窒素分圧を取得する供給ガス窒素分圧取得手段と、カソード供給ガスの全圧から酸素分圧と窒素分圧とを減算して、カソード供給ガス中の水蒸気分圧を取得する供給ガス水蒸気分圧取得手段と、カソード供給ガス中の水蒸気分圧と流量検出手段（２４）により検出された空気流量とからカソード供給ガスに含まれる水分量を加湿量として取得する加湿量取得手段とを備え、残留水量取得手段は、生成水量に加湿量を加算した値から排水量を減算して燃料電池（１０）内部における残留水量を取得することである。
【００１０】
これにより、カソード供給ガスの加湿量を考慮して燃料電池（１０）の残留水量を算出することができ、燃料電池（１０）内部の水分状態を精度よく診断することができる。
【００１１】
また、本発明の第３の特徴は、燃料電池（１０）の運転を停止させる際に、燃料電池（１０）の空気極の乾燥処理を行うパージ手段を備え、パージ手段は、排ガス酸素濃度取得手段により取得したアノード排ガス中の酸素濃度が所定値を下回っている場合に、乾燥処理を行うことである。これにより、燃料電池（１０）内部の水分量状態に基づいて乾燥処理を効率よく行うことができる。
【００１２】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は本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。
【００１４】
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、電力機器１１や２次電池（図示せず）等に電力を供給するように構成されている。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力機器１１に相当する。
【００１５】
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。セルの構成については後述する。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。
【００１６】
（水素極：アノード）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（空気極：カソード）２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の出力電流を検出する電流検出手段としての電流センサ１２が設けられている。電流センサ１２で検出した電流信号は、後述する制御部４０に入力されるようになっている。
【００１７】
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。
【００１８】
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供給装置２１が設けられている。空気供給装置２１としては、例えばコンプレッサを用いることができる。空気流路２０における空気供給装置２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿手段としての加湿器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。
【００１９】
空気流路２０における空気供給装置２１の上流側には、燃料電池１０の空気極に供給されるカソード供給ガス（大気）の流量を検出するためのエアフロセンサ２４が設けられている。空気流路２０における燃料電池１０の下流側で、かつ、空気調圧弁２３の上流側には、燃料電池１０の空気極から排出されるカソード排ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ２５と、カソード排ガスの圧力を検出する圧力センサ２６が設けられている。酸素センサ２５で検出した酸素濃度信号と圧力センサ２６で検出した圧力信号は、後述する制御部４０に入力されるようになっている。なお、エアフロセンサ２４が本発明の流量検出手段に相当し、酸素センサ２５が本発明の排ガス酸素濃度検出手段に相当し、圧力センサ２６が本発明の排ガス圧力検出手段に相当している。
【００２０】
水素流路３０の最上流部には、水素供給装置３１が設けられている。本実施形態では、水素供給装置３１として、水素が充填された高圧水素タンクを用いている。水素供給装置３１からの燃料電池１０への水素供給量の調整は、後述の制御部４０により行われる。水素流路３０における燃料電池１０の下流側は、燃料電池１０の上流側に接続されて水素流路３０が閉ループに構成されている。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３２が設けられている。
【００２１】
制御部（ＥＣＵ）４０は、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、電流センサ１２からの電流信号、酸素センサ２５からの酸素濃度信号、圧力センサ２６からの圧力信号等が入力される。また、燃料電池制御部４０は、演算結果に基づいて、空気供給装置２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素ポンプ３２等に制御信号を出力する。
【００２２】
次に、本実施形態の燃料電池システムの水分量診断制御について説明する。図２は、制御部４０のＣＰＵがＲＯＭ等に格納された制御プログラムにしたがって行う水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。図２に示す水分量診断制御は、所定の制御間隔で繰り返し行われる。
【００２３】
図２に示すように、まず、燃料電池システムの運転を終了させるか否かを判定する（Ｓ１００）。この結果、燃料電池システムの運転を終了させないと判定された場合には（Ｓ１００：ＮＯ）、エアフロセンサ２４によりカソード供給ガスの流量を測定し（Ｓ１１０）、酸素センサ２５によりカソード排ガスの酸素濃度を測定し（Ｓ１２０）、圧力センサ２６によりカソード排ガスの圧力を測定し（Ｓ１３０）、電流センサ１２により燃料電池１０の出力電流を測定する（Ｓ１４０）。
【００２４】
次に、燃料電池１０の空気極からの排水量を算出する（Ｓ１５０）。ここで、排水量の算出方法について説明する。
【００２５】
図３は、エアフロセンサ２４を通過するカソード供給ガスの組成と、酸素センサ２５および圧力センサ２６を通過するカソード排ガスの組成を示している。カソード供給ガス（大気）は、酸素と窒素を約２：８の割合で含んでおり、圧力は大気圧となっている。カソード供給ガス中の酸素が電気化学反応で消費され、電気化学反応により発生する生成水の一部が水蒸気として排出される。このためカソード排ガスは、大気に対して、酸素が減少し、水蒸気が新規に加わっている。カソード排ガスの圧力は、燃料電池１０出口の背圧であり、エアフロセンサ２４を通過するカソード供給ガスより高圧となっている。
【００２６】
窒素は電気化学反応に関与しないため、ガス中の窒素の組成は変化せず、カソード供給ガスとカソード排ガスにおける窒素モル分率は同一となっている。このため、圧力センサ２６で測定したカソード排ガスの全圧に既知の窒素モル分率を乗算することで、カソード排ガス中の窒素分圧を取得することができる。そして、カソード排ガスの全圧に酸素センサ２５で測定した酸素濃度を乗算することで、カソード排ガス中の酸素分圧を取得することができる。
【００２７】
図３に示すように、カソード排ガスは、主に窒素と酸素と水蒸気から構成されているので、カソード排ガスの全圧から窒素分圧と酸素分圧を減算することで、水蒸気分圧を取得することができる。そして、エアフロセンサ２４で測定した空気流量に水蒸気分圧を乗算することで、カソード排ガスに含まれる水蒸気流量を取得することができ、気体の状態方程式を用いて単位時間あたりの燃料電池１０の空気極からの排水量を算出することができる。
【００２８】
図２に戻り、Ｓ１４０で測定した出力電流から電気化学反応で発生する生成水量を算出する（Ｓ１６０）。電気化学反応による生成水量〔ｍｏｌ／ｓ〕は、出力電流Ｉ／（２×Ｆ）で求めることができる。ただし、Ｆはファラデー定数である。
【００２９】
次に、生成水量から排水量を減算することで、燃料電池１０の空気極における残留水量を算出し（Ｓ１７０）、残留水量に基づいて燃料電池１０の水分量を診断する（Ｓ１８０）。
【００３０】
図４は、燃料電池１０の出力と残留水量の関係を示している。図４に示すように、燃料電池１０の出力は、残留水量の増加にともなって増加し、所定の残留水量でピークに達した後、残留水量の増加に伴って減少する。このため、燃料電池１０の出力がピーク付近となる残留水量の範囲の上限値と下限値を予め設定しておき、Ｓ１７０で取得した残留水量が上限値を上回っている場合に水分過剰と診断し、下限値を下回っている場合に水分不足と診断することができる。
【００３１】
図２に戻り、Ｓ１８０の診断結果に基づいて燃料電池１０の内部水分量の制御を行う（Ｓ１９０）。燃料電池１０の内部水分量の制御は、例えば加湿器２２による燃料電池１０へのカソード供給ガスの加湿量の調整により行うことができる。さらに、空気供給装置２１による燃料電池１０への空気供給量の調整や空気調圧弁２３による燃料電池１０への空気供給圧力の調整を行うことで、燃料電池１０内での水分蒸発量を調整して内部水分量を制御することができる。
【００３２】
次に、燃料電池１０を運転終了させる際の水分除去処理について説明する。燃料電池１０内部に多量の水分を残留させたまま燃料電池１０を停止させた場合には、低温環境下で残留水が凍結して、燃料電池１０が始動できなくなる。このため、燃料電池１０を停止させる際に、燃料電池１０内部の残留水量を運転時における適正水分量より少ない低温時始動可能範囲（図４参照）にする必要がある。
【００３３】
そこで、Ｓ１００の判定処理で、燃料電池システムの運転を終了させると判定された場合には（Ｓ１００：ＹＥＳ）、以下のように燃料電池１０の水分除去処理を行う。まず、酸素センサ２５によりカソード排ガスの酸素濃度を測定し（Ｓ２００）、カソード排ガスの酸素濃度が所定値を上回っているか否かを判定する（Ｓ２１０）。この判定処理では、カソード排ガス中の酸素濃度から燃料電池１０の残留水量を推定しており、「所定値」は低温時始動可能範囲の上限水分量に対応する酸素濃度である。
【００３４】
Ｓ２１０の判定処理の結果、カソード排ガスの酸素濃度が所定値を上回っていないと判定された場合には（Ｓ２１０：ＮＯ）、カソード排ガス中に水蒸気が多く含まれており、燃料電池１０の残留水量が低温時始動可能範囲を上回っていると推定できるので、パージ処理を行い（Ｓ２２０）、Ｓ２００に戻る。パージ処理は、燃料電池１０の空気極に乾燥空気を供給することが行うことができる。
【００３５】
一方、カソード排ガスの酸素濃度が所定値を上回っていると判定された場合には（Ｓ２１０：ＹＥＳ）、カソード排ガス中の水蒸気が少なくなり、燃料電池１０の残留水量が低温時始動可能範囲内であると推定できるので、燃料電池システムの運転を終了させる。
【００３６】
以上説明したように、カソード供給ガスの流量を測定し、カソード排ガスの酸素濃度と圧力を測定することで、燃料電池１０内部の水分状態、特に空気極における水分状態を精度よく診断することができる。さらに、燃料電池１０の運転終了時にカソード排ガスの酸素濃度を測定することで、燃料電池１０の内部水分量を診断することができ、燃料電池運転停止時における水分除去処理を効率よく行うことができる。
【００３７】
なお、本発明の排ガス酸素分圧取得手段、排ガス窒素分圧取得手段、排ガス水蒸気分圧取得手段、排水量取得手段、残留水量取得手段、水分状態診断手段は、それぞれ制御部４０の処理によって構成されるものであり、排ガス酸素分圧取得手段、排ガス窒素分圧取得手段、排ガス水蒸気分圧取得手段、排水量取得手段はＳ１５０の処理に対応し、残留水量取得手段はＳ１７０の処理に対応し、水分状態診断手段はＳ１８０の処理に対応している。
【００３８】
（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実施形態では、酸素センサ２５を用いることなく、燃料電池１０の出力電流に基づいてカソード排ガスの酸素濃度を取得している。
【００３９】
図５は、本第２実施形態の制御部４０のＣＰＵがＲＯＭ等に格納された制御プログラムにしたがって行う水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。
【００４０】
図５に示すように、本第２実施形態では、酸素センサ２５により酸素濃度測定Ｓ１２０に代えて、燃料電池１０の出力電流に基づいて電気化学反応で消費された酸素量を算出している（Ｓ１４１）。電気化学反応による消費酸素量〔ｍｏｌ／ｓ〕は、出力電流Ｉ／（４×Ｆ）で求めることができる。ただし、Ｆはファラデー定数である。
【００４１】
そして、排水量算出処理Ｓ１５０において、大気中の酸素量からＳ１４１で算出した消費酸素量を減算してカソード排ガス中の残存酸素量を算出し、カソード排ガス中の酸素分圧を算出することができる。このように、燃料電池１０の出力電流から酸素消費量を算出することで、酸素センサ２５を用いることなく、カソード排ガス中の酸素分圧を間接的に取得することができる。
【００４２】
なお、本発明の酸素濃度取得手段は制御部４０の処理によって構成されるものであり、Ｓ１４１の処理に対応している。
【００４３】
（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実施形態では、カソード供給ガスの加湿量を考慮して燃料電池１０の残留水量を算出している。
【００４４】
図６は、本第３実施形態の燃料電池システムを示す模式図である。図６に示すように、本第３実施形態の燃料電池システムには、空気流路２０における加湿器２２の下流側で、かつ、燃料電池１０の上流側にカソード供給ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ２７とカソード供給ガスの圧力を検出する圧力センサ２８が設けられている。これらのセンサ２７、２８の出力信号は制御部４０に入力される。なお、酸素センサ２７が本発明の供給ガス酸素濃度検出手段に相当し、圧力センサ２８が本発明の供給ガス圧力検出手段に相当している。
【００４５】
図７は、本第３実施形態の制御部４０のＣＰＵがＲＯＭ等に格納された制御プログラムにしたがって行う水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。図７に示すように、本第３実施形態では、Ｓ１３０でアノード排ガスの圧力を測定した後で、酸素センサ２７でカソード供給ガスの酸素濃度を測定し（Ｓ１３１）、圧力センサ２８でカソード供給ガスの圧力を測定している（Ｓ１３２）。
【００４６】
排水量算出処理Ｓ１５０では、カソード供給ガスの酸素濃度と圧力と用い、第１実施形態で説明したカソード排ガス中の水分量を算出する手順と同様の手順によりカソード供給ガス中の水分量を算出する。さらに、燃料電池１０の残留水量を算出する際には、カソード供給ガス中の水分量と燃料電池１０の出力電流から算出される生成水量とを加算した値から、排水量を減算する。
【００４７】
以上のように、カソード供給ガスの酸素濃度と圧力を測定し、カソード供給ガスに含まれる水分量を取得することで、カソード供給ガスの加湿量を考慮して燃料電池１０の残留水量を算出することができ、燃料電池１０の空気極における水分状態を精度よく診断することができる。なお、本発明の供給ガス酸素分圧取得手段、供給ガス窒素分圧取得手段、供給ガス水蒸気分圧取得手段、加湿量取得手段は制御部４０の処理によって構成されるものであり、供給ガス酸素分圧取得手段、供給ガス窒素分圧取得手段、供給ガス水蒸気分圧取得手段、加湿量取得手段はＳ１５０の処理に対応している。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの模式図である。
【図２】第１実施形態の水分量診断制御の流れを示すフローチャートである
【図３】カソード供給ガス（大気）の組成とカソード排ガスの組成を示す図である。
【図４】燃料電池の出力と残留水量の関係を示す特性図である。
【図５】第２実施形態の水分量診断制御の流れを示すフローチャートである
【図６】第３実施形態の燃料電池システムの模式図である。
【図７】第３実施形態の水分量診断制御の流れを示すフローチャートである
【符号の説明】
【００４９】
１０…燃料電池、１２…電流センサ、２０…空気経路、２１…空気供給装置、２２…加湿器、２３…空気調圧弁、２４…エアフロセンサ、２５…酸素センサ、２６…圧力センサ、２７…酸素センサ、２８…圧力センサ、３０…水素経路、３１…水素供給装置、４０…制御部。
【図１】
2008130308.tif 000003
【図２】
2008130308.tif 000004
【図３】
2008130308.tif 000005
【図４】
2008130308.tif 000006
【図５】
2008130308.tif 000007
【図６】
2008130308.tif 000008
【図７】
2008130308.tif 000009