(57)【要約】【課題】出力変動の要因を推定可能にする。【解決手段】多数のセルを複数のセルグループに分けて、セルグループ毎の出力電圧を計測し、出力電圧の平均電圧、出力電圧の電圧ばらつき、および出力電圧に基づいて、燃料電池１０の運転状態を診断する。平均電圧が第１所定範囲内であり、且つ出力電圧が第２所定範囲を外れるセルグループが存在するときには、流路の水が過剰であると推定し、また、平均電圧が第１所定範囲を外れ、且つ電圧ばらつきが第３所定範囲内であるときには、電解質膜が乾燥していると推定し、さらに、平均電圧が第１所定範囲を外れ、且つ電圧ばらつきが第３所定範囲を外れるときには、燃料ガスの供給量が不足していると推定する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを、多数のセルにて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（１０）を備える燃料電池システムにおいて、
前記多数のセルを複数のセルグループに分けて、前記セルグループ毎の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、
前記出力電圧の平均電圧を演算すると共に、前記平均電圧と前記出力電圧とに基づいて前記燃料電池（１０）の運転状態を診断する診断手段（４０）とを備え、
前記診断手段（４０）は、前記平均電圧が第１所定範囲内であり、且つ前記出力電圧が第２所定範囲を外れるセルグループが存在するときには、前記燃料電池（１０）内の水が過剰であると推定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを、多数のセルにて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（１０）を備える燃料電池システムにおいて、
前記多数のセルを複数のセルグループに分けて、前記セルグループ毎の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、
前記出力電圧の平均電圧および前記出力電圧の電圧ばらつきを演算すると共に、前記平均電圧と前記電圧ばらつきとに基づいて前記燃料電池（１０）の運転状態を診断する診断手段（４０）とを備え、
前記診断手段（４０）は、前記平均電圧が第１所定範囲を外れ、且つ前記電圧ばらつきが第３所定範囲内であるときには、前記燃料電池（１０）内の水が不足であると推定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを、多数のセルにて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（１０）を備える燃料電池システムにおいて、
前記多数のセルを複数のセルグループに分けて、前記セルグループ毎の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、
前記出力電圧の平均電圧および前記出力電圧の電圧ばらつきを演算すると共に、前記平均電圧と前記電圧ばらつきとに基づいて前記燃料電池（１０）の運転状態を診断する診断手段（４０）とを備え、
前記診断手段（４０）は、前記平均電圧が第１所定範囲を外れ、且つ前記電圧ばらつきが第３所定範囲を外れるときには、前記燃料ガスの供給量が不足していると推定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを、多数のセルにて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（１０）を備える燃料電池システムにおいて、
前記多数のセルを複数のセルグループに分けて、前記セルグループ毎の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、
前記出力電圧の経時変化を非振動成分と振動成分とに分解し、前記非振動成分と前記振動成分とに基づいて前記燃料電池（１０）の運転状態を診断する診断手段（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５】
前記診断手段（４０）は、前記非振動成分と、前記非振動成分の変化速度と、前記振動成分の経時的なばらつきとに基づいて、前記燃料電池（１０）の運転状態を診断することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記診断手段（４０）は、前記非振動成分が低下傾向にあり、且つ前記振動成分のばらつきが第４所定範囲内のときは、前記燃料電池（１０）内の水が過剰状態に移行していると推定することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記診断手段（４０）は、前記非振動成分が低下傾向にあり、且つ前記振動成分のばらつきが第４所定範囲を外れるときは、前記燃料電池（１０）内の水が不足状態に移行していると推定することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記診断手段（４０）は、前記非振動成分が増加傾向にあるときには、前記燃料電池（１０）内の水が適正状態に移行していると推定することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記診断手段（４０）は、前記非振動成分が低下傾向にあり、且つ前記非振動成分の低下速度が所定値以上のときには、前記燃料ガスの供給量が不足していると推定することを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを、多数のセルにて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（１０）を備える燃料電池システムにおいて、
前記多数のセルを複数のセルグループに分けて、前記セルグループ毎の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、
前記セルグループ毎の温度を計測する温度計測手段と、
温度が高いセルグループの出力電圧である高温セル出力電圧および温度が低いセルグループの出力電圧である低温セル出力電圧に基づいて前記燃料電池（１０）の運転状態を診断する診断手段（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１１】
前記低温セル出力電圧が、前記高温セル出力電圧よりも低く、且つ、水の量が適正であるときの出力電圧予測値よりも所定値以上低いときには、前記燃料電池（１０）内の水が過剰であると推定することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記高温セル出力電圧が、前記低温セル出力電圧よりも低く、且つ、水の量が適正であるときの出力電圧予測値よりも所定値以上低いときには、前記燃料電池（１０）内の水が不足であると推定することを特徴とする請求項１０または１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記温度計測手段は、前記各セル毎に設置されていることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記温度計測手段は、前記多数のセルの一部に設置され、前記温度計測手段が設置されたセルの中から最も高温のセルと最も低温のセルとを選択することを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記温度計測手段は、前記多数のセルの一部に設置され、前記温度計測手段が設置されていないセルの温度は、前記一部のセルに設置された前記温度計測手段の計測値から補間して推定することを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記セルグループは、１つのセルで構成されることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記セルグループは、複数のセルで構成されることを特徴とする請求項１ないし１５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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
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、水素や酸素の供給不足、燃料流路および空気流路における液滴滞留、電解質膜の乾燥による導電率低下によって、電池の出力が低下する。また、このような条件下で燃料電池システムを運転した場合、燃料電池の劣化が加速され、信頼性の低下につながる。
【０００３】
よって、よりマージンを持たせた運転条件で運転させることで、信頼性は向上するが、水素の過剰供給や酸素の過剰供給、或いは加湿水の過剰供給により、システム効率の低下につながる。
【０００４】
ところで、特開２００２−１６４０６５号公報には、冷却水を流す方向を切替えることで燃料電池セルの積層方向に所定の相対湿度分布を形成し、そのときの各セルの出力電圧分布で燃料電池の湿潤状態を判定する燃料電池システムが記載されている。ここで、燃料電池内の温度分布は、冷却水入口側が最も低く冷却水出口側が最も高くなることを前提にしており、それ故、燃料電池内の相対湿度分布は、冷却水入口側が最も高く冷却水出口側が最も低くなるとしている。
【０００５】
しかしながら、冷却水出口側のセルはセルを収納する容器等を介して放熱されるのに対し、中間部のセルはそのような放熱がされにくいため、冷却水出口側のセルよりも中間部のセルの方が温度が高くなるのが一般的である。また、発電中の各種条件、たとえば冷却水温度、外気温度、発電量等によっても、燃料電池内の温度分布傾向は変化する。
【０００６】
このように、燃料電池の湿潤状態を判定する際の前提となる燃料電池内の温度分布および相対湿度分布は、必ずしも上記公報に記載のようにはならないため、冷却水入口側が最も低く冷却水出口側が最も高くなることを前提とした判定では、燃料電池の湿潤状態を正確に判定することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池の運転状態（電解質膜の湿潤状態や水素や酸素の供給状態等）を正確に推定可能にすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを、多数のセルにて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（１０）を備える燃料電池システムにおいて、多数のセルを複数のセルグループに分けて、セルグループ毎の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、出力電圧の平均電圧を演算すると共に、平均電圧と出力電圧とに基づいて燃料電池（１０）の運転状態を診断する診断手段（４０）とを備え、診断手段（４０）は、平均電圧が第１所定範囲内であり、且つ出力電圧が第２所定範囲を外れるセルグループが存在するときには、燃料電池（１０）内の水が過剰であると推定することを特徴とする。
【０００９】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池内の水が過剰である状態か否かを正確に推定することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを、多数のセルにて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（１０）を備える燃料電池システムにおいて、多数のセルを複数のセルグループに分けて、セルグループ毎の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、出力電圧の平均電圧および出力電圧の電圧ばらつきを演算すると共に、平均電圧と電圧ばらつきとに基づいて燃料電池（１０）の運転状態を診断する診断手段（４０）とを備え、診断手段（４０）は、平均電圧が第１所定範囲を外れ、且つ電圧ばらつきが第３所定範囲内であるときには、燃料電池（１０）内の水が不足であると推定することを特徴とする。
【００１１】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池内の水が不足している状態か否かを正確に推定することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを、多数のセルにて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（１０）を備える燃料電池システムにおいて、多数のセルを複数のセルグループに分けて、セルグループ毎の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、出力電圧の平均電圧および出力電圧の電圧ばらつきを演算すると共に、平均電圧と電圧ばらつきとに基づいて燃料電池（１０）の運転状態を診断する診断手段（４０）とを備え、診断手段（４０）は、平均電圧が第１所定範囲を外れ、且つ電圧ばらつきが第３所定範囲を外れるときには、燃料ガスの供給量が不足していると推定することを特徴とする。
【００１３】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料ガスの供給量が不足している状態か否かを正確に推定することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを、多数のセルにて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（１０）を備える燃料電池システムにおいて、多数のセルを複数のセルグループに分けて、セルグループ毎の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、出力電圧の経時変化を非振動成分と振動成分とに分解し、非振動成分と振動成分とに基づいて燃料電池（１０）の運転状態を診断する診断手段（４０）とを備えることを特徴とする。
【００１５】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池の運転状態を正確に推定することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、診断手段（４０）は、非振動成分と、非振動成分の変化速度と、振動成分の経時的なばらつきとに基づいて、燃料電池（１０）の運転状態を診断することを特徴とする。
【００１７】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池の運転状態を正確に推定することができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明では、診断手段（４０）は、非振動成分が低下傾向にあり、且つ振動成分のばらつきが第４所定範囲内のときは、燃料電池（１０）内の水が過剰状態に移行していると推定することを特徴とする。
【００１９】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池内の水が過剰状態に移行している状態か否かを正確に推定することができる。
【００２０】
請求項７に記載の発明では、診断手段（４０）は、非振動成分が低下傾向にあり、且つ振動成分のばらつきが第４所定範囲を外れるときは、燃料電池（１０）内の水が不足状態に移行していると推定することを特徴とする。
【００２１】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池内の水が不足状態に移行している状態か否かを正確に推定することができる。
【００２２】
請求項８に記載の発明では、診断手段（４０）は、非振動成分が増加傾向にあるときには、燃料電池（１０）内の水が適正状態に移行していると推定することを特徴とする。
【００２３】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池（１０）内の水が適正状態に移行している状態か否かを正確に推定することができる。
【００２４】
請求項９に記載の発明では、診断手段（４０）は、非振動成分が低下傾向にあり、且つ非振動成分の低下速度が所定値以上のときには、燃料ガスの供給量が不足していると推定することを特徴とする。
【００２５】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料ガスの供給量が不足している状態か否かを正確に推定することができる。
【００２６】
請求項１０に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを、多数のセルにて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（１０）を備える燃料電池システムにおいて、多数のセルを複数のセルグループに分けて、セルグループ毎の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、セルグループ毎の温度を計測する温度計測手段と、最も温度が高いセルグループの出力電圧である高温セル出力電圧および最も温度が低いセルグループの出力電圧である低温セル出力電圧に基づいて燃料電池（１０）の運転状態を診断する診断手段（４０）とを備えることを特徴とする。
【００２７】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池の運転状態を正確に推定することができる。
【００２８】
請求項１１に記載の発明では、低温セル出力電圧が、高温セル出力電圧よりも低く、且つ、水の量が適正であるときの出力電圧予測値よりも所定値以上低いときには、燃料電池（１０）内の水が過剰であると推定することを特徴とする。
【００２９】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池内の水が過剰である状態か否かを正確に推定することができる。
【００３０】
請求項１２に記載の発明では、高温セル出力電圧が、低温セル出力電圧よりも低く、且つ、水の量が適正であるときの出力電圧予測値よりも所定値以上低いときには、燃料電池（１０）内の水が不足であると推定することを特徴とする。
【００３１】
これによると、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池内の水が不足している状態か否かを正確に推定することができる。
【００３２】
請求項１３に記載の発明では、温度計測手段は、各セル毎に設置されていることを特徴とする。
【００３３】
これによると、最も温度が高いセルおよび最も温度が低いセルを容易且つ正確に選択することができる。
【００３４】
請求項１４に記載の発明では、温度計測手段は、多数のセルの一部に設置され、温度計測手段が設置されたセルの中から最も高温のセルと最も低温のセルとを選択することを特徴とする。
【００３５】
これによると、少ない数の温度計測手段にて実施することができる。
【００３６】
請求項１５に記載の発明では、温度計測手段は、多数のセルの一部に設置され、温度計測手段が設置されていないセルの温度は、一部のセルに設置された温度計測手段の計測値から補間して推定することを特徴とする。
【００３７】
これによると、少ない数の温度計測手段にて、最も温度が高いセルおよび最も温度が低いセルを選択することができる。
【００３８】
なお、請求項１６に記載の発明のように、セルグループは１つのセルで構成されるものであってもよいし、請求項１７に記載の発明のように、セルグループは複数のセルで構成されるものであってもよい。
【００３９】
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。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（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。
【００４１】
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、車両走行用の電動モータが電気負荷１１に相当する。
【００４２】
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。
【００４３】
（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。また、燃料電池１０の出力側には燃料電池１０の動作電流値を測定する電流センサ１３が設けられており、電流センサ１３で検出した動作電流値がセルモニタ１２を介して後述する制御部４０に入力されるようになっている。なお、セルモニタ１２は本発明の電圧計測手段に相当する。
【００４４】
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の燃料極（負極）側に水素を供給するための燃料流路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。
【００４５】
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。
【００４６】
燃料流路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、燃料流路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が設けられている。
【００４７】
燃料流路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燃料流路３０が閉ループに構成されており、これにより燃料流路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、燃料流路３０における燃料電池１０の下流側には、燃料流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３３が設けられている。
【００４８】
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、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３に制御信号を出力する。
【００４９】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を、図１および図２に基づいて説明する。なお、図２は制御部４０にて実行される制御処理のうち、燃料電池１０の運転状態の診断にかかわる部分の流れ図である。
【００５０】
まず、燃料電池システムの通常運転における作動について説明する。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３３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。
【００５１】
次に、燃料電池１０の運転状態の診断について図２に基づいて説明する。まず、ステップＳ１０１では、燃料電池１０の動作電流値を測定すると共に、以下の判定ステップで用いる所定範囲の値を動作電流値に基づいて決定する。ステップＳ１０１で決定する値は、セル電圧の平均値（以下、平均電圧Ｖａという）が正常な範囲か否かを判定するための第１所定範囲と、セル電圧の標準偏差σが正常な範囲か否かを判定するための第３所定範囲である。
【００５２】
ステップＳ１０２では、各セル毎の出力電圧を測定して読み込み、ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で読み込んだセル電圧から平均電圧Ｖａを演算し、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２で読み込んだセル電圧から、セル間の電圧ばらつきの度合を示す標準偏差σを演算する。
【００５３】
ステップＳ１０５では、平均電圧Ｖａが第１所定範囲内であるか否かを判定し、平均電圧Ｖａが第１所定範囲内であればステップＳ１０５がＹＥＳとなり、ステップＳ１０６に進む。
【００５４】
ステップＳ１０６では、各セル毎の出力電圧と第２所定範囲とを比較し、出力電圧が第２所定範囲を外れたセルが存在するか否かを判定する。ここで、第２所定範囲＝Ｖａ−ａ・σであり、ａは定数である。そして、出力電圧が第２所定範囲を外れたセルが存在しなければステップＳ１０６がＮＯとなり、ステップＳ１０７に進む。
【００５５】
このステップＳ１０７に進んだ場合、ステップＳ１０５およびステップＳ１０６の判定結果から、平均電圧Ｖａは正常な範囲にあり、また、全てのセルの出力電圧のばらつきは小さい。従って、ステップＳ１０７では、燃料電池１０の運転状態は適正状態であると判定し、この判定結果をステップＳ１０８にて保存する。
【００５６】
また、ステップＳ１０６がＹＥＳの場合は、ステップＳ１０９に進む。ここで、図３はステップＳ１０５およびステップＳ１０６がともにＹＥＳとなってステップＳ１０９に進んだ場合の各セルの出力電圧の例を示している。図３において、多数の白丸印「○」は各セルの出力電圧、実線のＶ０は電解質膜の加湿が適正な状態のときのセル電圧の平均値（以下、適正時平均電圧という）である。なお、適正時平均電圧Ｖ０は本発明の適正時出力電圧に相当する。
【００５７】
ステップＳ１０９に進んだ場合、図３に示すように、破線で示す平均電圧Ｖａは適正時平均電圧Ｖ０に近い値で正常な範囲にあるものの、一部のセルの出力電圧は一点鎖線で示す第２所定範囲＝Ｖａ−ａ・σを外れた値になっている。
【００５８】
そして、水素イオンを導伝する電解質膜の加湿が充分に行われていれば平均電圧Ｖａは低下しにくい。しかし、あるセルの燃料流路もしくは空気流路に水が溜まると、水素や空気の分配にばらつきが発生するため、水が溜まったセルのみ出力電圧が大幅に低下する。従って、ステップＳ１０９では、燃料電池１０の運転状態は、燃料電池１０内の燃料流路もしくは空気流路の水過剰状態と判定し、この判定結果をステップＳ１０８にて保存する。
【００５９】
この場合、水素調圧弁３２により水素供給圧力を上げて、燃料電池１０内の燃料流路の水を電解質膜を介して空気流路２０へ排出することにより、燃料電池１０内の燃料流路の水過剰状態を回避することができる。また、空気ポンプ２１の回転数を上昇させることで空気流路２０内の水を燃料電池１０の外部に排出することで、空気流路の水過剰状態を回避できる。
【００６０】
一方、ステップＳ１０５がＮＯの場合、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、標準偏差σが第３所定範囲内であるか否かを判定し、標準偏差σが第３所定範囲内であればステップＳ１１０がＹＥＳとなり、ステップＳ１１１に進む。
【００６１】
ここで、図４はステップＳ１０５がＮＯでステップＳ１１０がＹＥＳとなってステップＳ１１１に進んだ場合の各セルの出力電圧の例を示している。ステップＳ１１１に進んだ場合、図４に示すように、破線で示す平均電圧Ｖａは適正時平均電圧Ｖ０よりも大幅に低下していて第１所定範囲外にあるものの、各セルの出力電圧のばらつきは少なくて標準偏差σは正常な範囲にある。
【００６２】
そして、乾燥した空気を供給した場合、セル内に凝縮水が発生しづらく、出力電圧が大きくばらつくセルは発生しない。しかし、セル内部が乾燥するため、全てのセルの電解質膜が乾燥傾向になって平均電圧Ｖａが大幅に低下する。また、乾燥した空気を供給した場合、燃料極に水が溜まりにくいため、液滴による水素の分配のばらつきは発生せず、電圧ばらつきは所定範囲におさまる。従って、ステップＳ１１１では、燃料電池１０の運転状態は、電解質膜が乾燥した状態と判定し、この判定結果をステップＳ１０８にて保存する。
【００６３】
この場合、加湿器２２による空気への加湿量を増加して、空気極側から電解質膜への含水を迅速に行うことにより、電解質膜が乾燥した状態を回避することができる。
【００６４】
また、ステップＳ１１０がＮＯの場合は、ステップＳ１１２に進む。ステップＳ１１２に進んだ場合、ステップＳ１０５およびステップＳ１１０の判定結果から、平均電圧Ｖａは正常な範囲外にあり、また、標準偏差σも正常な範囲外にある。
【００６５】
そして、水素の供給量が不足する場合、セル全体の出力が低下して平均電圧Ｖａが大幅に低下すると共に、セル間の水素の分配量のばらつきが大きくなって電圧ばらつきも大きくなる。従って、ステップＳ１１２では、燃料電池１０の運転状態は、水素の供給量が不足している状態と判定し、この判定結果をステップＳ１０８にて保存する。
【００６６】
この場合、水素ポンプ３３の回転数を高めて水素供給量を増加することにより、水素の供給量が不足している状態を回避することができる。
【００６７】
本実施形態によると、平均電圧と電圧ばらつきと出力電圧とに基づいて燃料電池の運転状態を診断することにより、燃料電池１０内の温度分布にかかわらず、燃料電池１０の出力変動の要因を正確に推定することができる。
【００６８】
なお、本実施形態では、燃料電池１０の動作電流値に基づいて第３所定範囲を決定したが、第３所定範囲は、各セルの出力電圧の計測値から算出した標準偏差に基づいて定めるようにしてもよい。
【００６９】
（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。第１実施形態では、平均電圧と電圧ばらつきと出力電圧とに基づいて燃料電池１０の運転状態を診断したが、本実施形態では、出力電圧の経時変化に基づいて燃料電池１０の運転状態を診断するようにしたものである。なお、燃料電池システムの構成は第１実施形態と同一である。
【００７０】
図５は制御部４０にて実行される制御処理のうち、燃料電池１０の運転状態の診断にかかわる部分の流れ図である。
【００７１】
まず、ステップＳ２０１では、燃料電池１０の動作電流値を測定すると共に、以下の判定ステップで用いる所定範囲等の値を動作電流値に基づいて決定する。ステップＳ２０１で決定する値は、振動成分（詳細後述）の分散σ２が正常な範囲か否かを判定するための第４所定範囲と、非振動成分（詳細後述）の電圧が正常な範囲か否かを判定するための第５所定範囲と、非振動成分の電圧低下速度が正常な範囲か否かを判定するための所定値である。
【００７２】
ステップＳ２０２では、各セル毎の出力電圧を測定して読み込み、ステップＳ２０３では、制御部４０内のメモリに格納された各セルの電圧履歴を読み込む。
【００７３】
ステップＳ２０４では、ステップＳ２０２およびステップＳ２０３で読み込んだ各セル毎の電圧履歴を、振動成分と非振動成分とに分離する。図６はあるセルの電圧履歴の例を示すもので、実線が実際の電圧履歴データであり、電圧履歴データにおける１回毎の電圧変動分が振動成分に相当し、破線のように電圧履歴データを平滑化したものが非振動成分に相当する。
【００７４】
ステップＳ２０５では、ステップＳ２０４で演算した各セルの振動成分の分散σ２を算出する。ステップＳ２０６では、非振動成分の電圧が第５所定範囲内であるか否かを判定し、非振動成分の電圧が第５所定範囲内であればステップＳ２０６がＹＥＳとなり、ステップＳ２０７に進む。
【００７５】
このステップＳ２０７に進んだ場合、ステップＳ２０６の判定結果から、非振動成分の電圧は正常な範囲にある。従って、ステップＳ２０７では、燃料電池１０の運転状態は適正状態であると判定し、この判定結果をステップＳ２０８にて保存する。
【００７６】
ステップＳ２０６がＮＯの場合、ステップＳ２０９に進み、非振動成分の電圧が上昇傾向か否かを判定する。そして、非振動成分の電圧が上昇傾向であればステップＳ２０９はＹＥＳとなり、ステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０では、燃料電池１０の運転状態は適正状態に移行中であると判定し、この判定結果をステップＳ２０８にて保存する。
【００７７】
ステップＳ２０９がＮＯの場合、ステップＳ２１１に進み、非振動成分の電圧低下速度が所定値以上か否かを判定する。そして、非振動成分の電圧低下速度が所定値以上、すなわち、非振動成分の電圧低下速度が急激な場合は、ステップＳ２１１がＹＥＳとなり、ステップＳ２１２に進む。ステップＳ２１２では、燃料電池１０の運転状態は、水素の供給量が不足している状態と判定し、この判定結果をステップＳ２０８にて保存する。
【００７８】
ステップＳ２１１がＮＯの場合ステップＳ２１３に進み、振動成分の分散σ２が第４所定範囲内か否かを判定する。そして、振動成分の分散σ２が第４所定範囲内であればステップＳ２１３がＹＥＳとなり、ステップＳ２１４に進む。
【００７９】
そして、ステップＳ２１４に進むのは、非振動成分の電圧が緩やかに低下し、振動成分の分散σ２、すなわちばらつきが小さい場合であり、このような状況は燃料電池１０内の水分が増加する際に発生する。すなわち、水分の増加に伴って有効な反応面が減少して、全てのセルにおいて出力電圧が徐々に低下する。従って、ステップＳ２１４では、燃料電池１０の運転状態は、燃料電池１０内の水分が過剰状態に移行中であると判定し、この判定結果をステップＳ２０８にて保存する。
【００８０】
ステップＳ２１３がＮＯの場合ステップＳ２１５に進む。そして、ステップＳ２１５に進むのは、非振動成分の電圧が緩やかに低下し、振動成分のばらつきが大きい場合であり、このような状況は電解質膜の乾燥が進行する際に発生する。すなわち、電解質膜が乾燥するにつれて出力電圧が徐々に低下すると共に、電解質膜への吸脱水が起こるため出力電圧の変動が大きくなる。従って、ステップＳ２１５では、燃料電池１０の運転状態は、電解質膜が乾燥状態に移行中であると判定し、この判定結果をステップＳ２０８にて保存する。
【００８１】
本実施形態によると、出力電圧の経時変化に基づいて燃料電池の運転状態を診断することにより、燃料電池１０内の温度分布にかかわらず、燃料電池１０の出力変動の要因を精度よく推定することができる。
【００８２】
（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。第１実施形態では、平均電圧と電圧ばらつきと出力電圧とに基づいて燃料電池１０の運転状態を診断したが、本実施形態では、最も温度が高いセルの出力電圧と最も温度が低いセルの出力電圧とに基づいて燃料電池１０の運転状態を診断するようにしたものである。なお、燃料電池システムの構成は第１実施形態と同一である。
【００８３】
図７に示すように、燃料電池１０はセルＮｏ１〜１１の１１個のセルが積層配置され、燃料電池１０を冷却する冷却水はＮｏ１のセル側から流入してＮｏ１１のセル側から流出するようになっている。また、セルの温度を計測する温度センサ５０が各セル毎に設けられている。なお、温度センサ５０は本発明の温度計測手段に相当する。
【００８４】
ところで、燃料電池１０の反応ガスは、外部の加湿器２２により加湿して燃料電池１０に供給される。そのため、どのセルにおいてもセル入口から同一の絶対湿度を持った空気もしくは水素が供給される。一方、入口から同一の絶対湿度のガスを供給しても、燃料電池１０の運転温度が変化することによって燃料電池内部の運転状態が変化する。燃料電池１０の運転温度が低ければ水分過剰となりやすく、逆に運転温度が高ければ水分不足になりやすい。これらのことから、燃料電池１０の各セル（もしくはセルグループ）の出力電圧と温度の関係から、燃料電池１０に供給されるガス中の水分量が過剰であるか不足であるかを診断することができる。
【００８５】
セル温度とセルの出力電圧の相関について説明する。図８は、入口の絶対湿度が一定の場合における、セル温度と出力電圧との相関を示す。この図から分かるように、温度が低下するとガス中の水分が過剰になることで出力電圧が低下する。逆に、温度が上昇するとガス中の水分が不足状態になって出力電圧が低下する。すなわち、入口から同一の絶対湿度のガスが供給される燃料電池１０において、セルの出力電圧が低下しかつセルの温度が低い場合は水分過剰、セルの出力電圧が低下しかつセルの温度が高い場合は水分不足と診断することができる。
【００８６】
また、図９および図１０は、燃料電池１０内のセルの位置に対する、セルの出力電圧分布およびセル温度分布の例を示している。これらの図の横軸は、燃料電池１０内のセルの位置であり、図中左側が冷却水入口側のセル、図中右側が冷却水出口側のセルである。そして、水分不足時には、図９に示すように温度が高いセルが乾燥してそのセルの出力が低下する。一方、水分過剰時には、図１０に示すように温度の低いセルで凝縮水が多量に発生してそのセルの出力が低下する。
【００８７】
本実施形態は、上記のようなセル温度とセルの出力電圧との関係に基づいて、燃料電池１０内部の水分量が過剰であるか不足であるかを診断するものであり、図１１に基づいて説明する。図１１は制御部４０にて実行される制御処理のうち診断にかかわる部分の流れ図である。
【００８８】
まず、燃料電池１０の動作電流値を測定し（ステップＳ２０１）、各セルの温度を測定して読み込み（ステップＳ２０２）、ステップＳ２０２で読み込んだデータに基づいて最も温度が高いセルを選定し（ステップＳ２０３）、ステップＳ２０２で読み込んだデータに基づいて最も温度が低いセルを選定する（ステップＳ２０４）。
【００８９】
次に、ステップＳ２０３で選定した最高温セルの出力電圧（以下、高温セル出力電圧Ｖｔｍａｘという）を測定し（ステップＳ２０５）、ステップＳ２０４で選定した最低温セルの出力電圧（以下、低温セル出力電圧Ｖｔｍｉｎという）を測定する（ステップＳ２０６）。なお、ステップＳ２０５で測定した出力電圧は、本発明の高温セル出力電圧に相当し、ステップＳ２０６で測定した出力電圧は、本発明の低温セル出力電圧に相当する。
【００９０】
次に、高温セル出力電圧Ｖｔｍａｘと低温セル出力電圧Ｖｔｍｉｎとを比較する（ステップＳ２１０）。高温セル出力電圧Ｖｔｍａｘよりも低温セル出力電圧Ｖｔｍｉｎが高い場合、最も温度が高いセルの水の量が適正であるときの出力電圧（以下、出力電圧予測値という）を、制御部４０内にあらかじめ記憶された「セル温度‐電流−電圧特性マップ」から推定する（ステップＳ２１１）。
【００９１】
次に、高温セル出力電圧Ｖｔｍａｘと、上記マップから推定した出力電圧予測値との差（Ｖｔｍａｘ−出力電圧予測値）を、負の値である所定値Ｖａと比較する（ステップＳ２２０）。
【００９２】
そして、それらの差（Ｖｔｍａｘ−出力電圧予測値）が所定値Ｖａ未満となる場合には（ステップＳ２２０がＹＥＳ）、図９に示すように温度が高いセルが乾燥してそのセルの出力電圧が著しく低下していると判断でき、水分が不足、具体的には電解質膜が乾燥していると診断する（ステップＳ２２１）。逆に、それらの差（Ｖｔｍａｘ−出力電圧予測値）が所定値Ｖａ以上となる場合、すなわち温度最高のセルの出力電圧が低下していない場合は（ステップＳ２２０がＮＯ）、水分は適正と診断する（ステップＳ２２２）。
【００９３】
ステップＳ２１０に戻り、高温セル出力電圧Ｖｔｍａｘが低温セル出力電圧Ｖｔｍｉｎよりも高い場合（ステップＳ２１０がＹＥＳ）、最も温度が低いセルの水の量が適正であるときの出力電圧（以下、出力電圧予測値という）を、制御部４０内にあらかじめ記憶された「セル温度‐電流−電圧特性マップ」から推定する（ステップＳ２１２）。
【００９４】
次に、低温セル出力電圧Ｖｔｍｉｎと、上記マップから推定した出力電圧予測値との差（Ｖｔｍｉｎ−出力電圧予測値）を、負の値である所定値Ｖｂと比較する（ステップＳ２３０）。そして、それらの差（Ｖｔｍｉｎ−出力電圧予測値）が所定値Ｖｂ未満となる場合には（ステップＳ２３０がＹＥＳ）、図１０に示すように温度の低いセルで凝縮水が多量に発生してそのセルの出力電圧が著しく低下していると判断でき、過剰な凝縮水が発生していると診断する（ステップＳ２３１）。逆に、それらの差（Ｖｔｍｉｎ−出力電圧予測値）が所定値Ｖｂ以上となる場合、すなわち温度最高のセルの出力電圧が低下していない場合は（ステップＳ２３０がＮＯ）、水分は適正と診断する（ステップＳ２３２）。
【００９５】
水分が「不足」と診断された場合は、燃料電池内部の水分量を増加させるようシステムを制御する。逆に、「過剰」と診断された場合は燃料電池内部の水分量を減少させるようシステムを制御する。因みに、水分量を増加させるには、加湿器２２による加湿量の増加、空気供給圧力増加または水素供給圧力低下による電解質膜への水分供給促進等の、方法がある。また、水分量を減少させるには、加湿器２２による加湿の停止、空気供給圧力低下または水素供給圧力増加による電解質膜への水分供給抑制等の、方法がある。
【００９６】
本実施形態によると、最も温度が高いセルの出力電圧と最も温度が低いセルの出力電圧とに基づいて燃料電池１０の運転状態を診断することにより、燃料電池１０内の温度分布にかかわらず、燃料電池１０の出力変動の要因を精度よく推定することができる。
【００９７】
（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。第３実施形態では各セル毎に温度センサ５０を設けたが、本実施形態では、図１２に示すように数セルおき（本例では２つおき）に温度センサ５０を設置している。
【００９８】
センサ５０を設置していないセルの温度は、図１３に示すように、数セルおきに設置したセンサ５０の測定温度（白丸印）から補間により推定する。そして、補間により推定した温度分布から、最高温度のセル（本例ではセルＮｏ８）および最低温度のセル（本例ではセルＮｏ１）を選択する。以下、第３実施形態と同様に、最も温度が高いセルの出力電圧と最も温度が低いセルの出力電圧とに基づいて燃料電池１０の運転状態を診断する。
【００９９】
なお、本実施形態では、補間により推定した温度分布から最高温度のセルおよび最低温度のセルを選択したが、温度センサ５０が設置されたセルの中から最高温度のセルおよび最低温度のセルを選択するようにしてもよい。
【０１００】
（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。最も温度が高いセルが、最も水分の不足が発生しやすい。そのため、最も温度が高いセルを水分の不足なく動作させれば燃料電池１０の各セルの水分不足は発生しない。そこで、本実施形態では、最も温度が高いセルに着目して制御を行うようにしたものである。
【０１０１】
なお、燃料電池システムの構成は第１実施形態と同一である。図１４は制御部４０にて実行される制御処理のうち診断および制御にかかわる部分の流れ図であり、第３実施形態（図１１参照）と同一の部分には同一の符号を付している。
【０１０２】
図１４において、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０６を実行後、高温セル出力電圧Ｖｔｍａｘと低温セル出力電圧Ｖｔｍｉｎとを比較する（ステップＳ２１０）。
【０１０３】
高温セル出力電圧Ｖｔｍａｘが低温セル出力電圧Ｖｔｍｉｎよりも高い場合（ステップＳ２１０がＹＥＳ）、燃料電池内部の水分量は適正もしくは過剰であると予想される。よって、水分量を低減させる制御を行っても瞬時に乾燥状態に移行しないため、水分量を低減させる制御を行う（ステップＳ３２０）。
【０１０４】
一方、高温セル出力電圧Ｖｔｍａｘよりも低温セル出力電圧Ｖｔｍｉｎが高い場合は（ステップＳ２１０がＮＯ）、燃料電池内部の水分量は不足している可能性がある。そのため、次に真に水分量が不足しているかどうかの判定を行う。
【０１０５】
まず、最も温度が高いセルの水の量が適正であるときの出力電圧を、制御部４０内にあらかじめ記憶された「セル温度‐電流−電圧特性マップ」から推定する（ステップＳ２１１）。次に、高温セル出力電圧Ｖｔｍａｘと、上記マップから推定した出力電圧予測値との差（Ｖｔｍａｘ−出力電圧予測値）を、負の値である所定値Ｖａと比較する（ステップＳ２２０）。
【０１０６】
そして、それらの差（Ｖｔｍａｘ−出力電圧予測値）が所定値Ｖａ未満となる場合には（ステップＳ２２０がＹＥＳ）、温度が高いセルが乾燥してそのセルの出力電圧が著しく低下していると判断し、燃料電池の水分量を増加させるよう制御する（ステップＳ３３１）。逆に、それらの差（Ｖｔｍａｘ−出力電圧予測値）が所定値Ｖａ以上となる場合、すなわち温度最高のセルの出力電圧が低下していない場合は（ステップＳ２２０がＮＯ）、温度が高いセルの水分量は適正もしくは過剰と判断し、燃料電池の水分量を減少させるよう制御する（ステップＳ３３２）。
【０１０７】
因みに、ステップＳ３２０またはステップＳ３３２において水分量を減少させるには、加湿器２２による加湿の停止、空気供給圧力低下または水素供給圧力増加による電解質膜への水分供給抑制等の、方法がある。また、ステップＳ３３１において水分量を増加させるには、加湿器２２による加湿量の増加、空気供給圧力増加または水素供給圧力低下による電解質膜への水分供給促進等の、方法がある。
【０１０８】
（他の実施形態）
上記実施形態では、セルモニタ１２により、各セル毎の出力電圧を検出するようにしたが、複数個のセルを１つのセルグループとし、セルグループ毎の出力電圧を検出するようにしてもよい。
【０１０９】
また、上記実施形態では燃料通路３０内で水素を循環させているが、循環方式に限らず、該流路３０を開放させるようにしてもよいし、あるいは、閉塞するようにしても本発明は適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】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３】水分過剰時の各セルの出力電圧の例を示す特性図である。
【図４】水分不足時の各セルの出力電圧の例を示す特性図である。
【図５】第２実施形態の制御処理を示す流れ図である。
【図６】セルの電圧履歴の例を示す特性図である。
【図７】第３実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池１０の構成を示す模式的な斜視図である。
【図８】セル温度と出力電圧との相関を示す特性図である。
【図９】水分不足時における、セルの位置に対するセルの出力電圧分布およびセル温度分布の例を示す特性図である。
【図１０】水分過剰時における、セルの位置に対するセルの出力電圧分布およびセル温度分布の例を示す特性図である。
【図１１】第３実施形態の制御処理を示す流れ図である。
【図１２】第４実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池１０の構成を示す模式的な斜視図である。
【図１３】第４実施形態におけるセルの位置に対するセルの温度分布の例を示す特性図である。
【図１４】第５実施形態の制御処理を示す流れ図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、１２…セルモニタ（電圧計測手段）、
４０…制御部（診断手段）。
【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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