(57)【要約】【課題】煩雑な安定化回路が不要で構成を簡略化でき、且つ、燃料電池の供給ガス不足の判定診断精度等を向上させることが可能な燃料電池の供給ガス不足診断装置を提供する。【解決手段】本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置は、ＭＥＧＡ２の電解質膜２１におけるアノード２２側の面２１ａ，２１ｂにそれぞれ設置された電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１からなる電気分解極対と、電気分解陰極１１に隣設された電位計測極１２とを備える。電気分解極対には外部電源５０が接続されており、所定の電圧が印加されて電解質膜２１に含まれる水が電気分解され、電位計測極１２によってその時の水素の酸化還元電位が直接的に計測される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池における電解質膜に設置され、水電気分解によって水素を発生する第１の極、及び、水電気分解によって酸素を発生する第２の極を有する水電気分解極対と、
前記燃料電池において、前記第１の極の近傍に配置される第３の極と、
を備え、
前記第３の極を用いて水素の酸化還元電位を直接的に計測することにより、前記燃料電池への供給ガスが不足しているか否かを判定する、
燃料電池の供給ガス不足診断装置。
【請求項２】
前記燃料電池における電解質膜の両側に配置された一対のセパレータのうちの一方と前記第３の極との間の電位差を計測する第１の電位差計測部と、
前記燃料電池における電解質膜の両側に配置された一対のセパレータのうちの他方と前記第３の極との間の電位差を計測する第２の電位差計測部と、
を備える請求項１記載の燃料電池の供給ガス不足診断装置。
【請求項３】
前記燃料電池において、前記第２の極の近傍に配置される第４の極と、
前記第３の極と前記第４の極との間の電位差を計測する第３の電位差計測部と、
を備える請求項１記載の燃料電池の供給ガス不足診断装置。
【請求項４】
前記第１の極及び前記第３の極を覆うように設けられたガス透過防止部材を備える、
請求項１記載の燃料電池の供給ガス不足診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の診断装置に関し、特に、燃料電池において異常が生じているか否かの診断、より詳細には、燃料電池へのガス供給が不足しているか否かの診断技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガス（アノードガス）と酸化ガス（カソードガス）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源とした燃料電池システムが注目されている。かかる燃料電池システムに用いられる燃料電池として、イオン交換膜で形成された電解質膜が、例えば多孔質カーボン素材等からなる拡散層に白金等からなる触媒層が結着された一対の電極で挟持されてなる膜−電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下「ＭＥＡ」という）を有するものが知られている。また、ＭＥＡが一対のガス拡散層（Gas Diffusion Layer：以下「ＧＤＬ」という）で更に挟持された膜−電極−ガス拡散層接合体（Membrane Electrode GDL(Gas Diffusion Layer) Assembly：以下「ＭＥＧＡ」という）を有するものも知られている。
【０００３】
かかる燃料電池の優れた運転性能を維持するためには、稼働時や保守時の各種診断及びその結果に基づくフィードバック制御やフィードフォワード制御等が有効であり、そのなかでも、所望量の反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）が適時に燃料電池へ供給されているか否かの診断は特に重要である。このような診断に利用可能な技術として、例えば特許文献１には、電気化学装置に用いる参照極の電位を安定させるための安定化参照電極回路が記載されている。
【０００４】
この従来の回路装置は、動的水素電極（Dynamic Hydrogen Electrode：以下「ＤＨＥ」という）を備えており、電極間電位を測定するために、２つの電極（Ａ，Ｂ）間に微小な定電流を印加して水電気分解を生起させ、これにより、陽極側で酸素を発生させ且つ陰極側で水素を発生させるように構成されている。そして、そのときの陰極側の電位が、可逆水素電極（reversible hydrogen electrode：以下「ＲＨＥ」という）の電位（電解液中の水素イオン濃度（ｐＨ）に応じた電位、いわゆる「水素の酸化還元電位」）の値に略近くなることを利用している。また、この回路装置では、電位が安定せずにゆらいでしまうというＤＨＥに固有の問題を解消するべく、それによる電位計測値を回路的に補正する構成を有している。このようにして測定される参照極の電位は、一般的な燃料電池のＭＥＡやＭＥＧＡ等において、反応ガスの供給不足が生じているか否かの判定に資することができるものと推察される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１６４３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来の回路装置の如く、ＤＨＥによる電位計測値のゆらぎを補正するには煩雑な安定化回路を用いる必要があり、その結果、装置構成が複雑となり、また、そのための保守も必要になってしまう。さらに、ＤＨＥを用いる限り、その電位計測値は、水素の酸化還元電位の近似値に過ぎないから、上述した電位計測値のゆらぎに加え、電位計測値の確度（絶対値）そのものを補正する必要があり、回路構成や処理が更に複雑になってしまう。
【０００７】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、煩雑な安定化回路が不要であり、これにより装置構成を簡略化することができ、しかも、電位や電位差の計測精度、及び、燃料電池への供給ガス不足の判定診断精度を向上させることが可能な燃料電池の供給ガス不足診断装置を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置は、燃料電池における電解質膜に設置され、水電気分解によって水素を発生する第１の極（電気分解陰極）、及び、水電気分解によって酸素を発生する第２の極（電気分解陽極）を有する水電気分解極対と、燃料電池において、第１の極の近傍に配置される第３の極とを備え、その第３の極を用いて水素の酸化還元電位を直接的に計測することにより、燃料電池への供給ガスが不足しているか否かを判定することを特徴とする。
【０００９】
このように構成された燃料電池の供給ガス不足診断装置においては、燃料電池の電解質膜に含まれる水の電気分解によって、電気分解陰極である第１の極から水素を発生させ、その水素を含む環境下の水素濃度に応じた水素の酸化還元電位を、電位計測極である第３の極を用いて直接的に計測する。よって、例えば特許文献１に記載の従来の回路装置に設けられているような煩雑な安定化回路が不要となる。また、電位計測極である第３の極によって、近似値ではない水素の酸化還元電位そのものを直接的に計測することができるので、近似値を計測してそれを更に補正するようなより複雑な処理も必要ない。
【００１０】
より具体的には、燃料電池における電解質膜の両側に配置された一対のセパレータのうちの一方と第３の極との間の電位差を計測する第１の電位差計測部と、燃料電池における電解質膜の両側に配置された一対のセパレータのうちの他方と第３の極との間の電位差を計測する第２の電位差計測部とを備える構成が挙げられる。
【００１１】
また、燃料電池において、第２の極の近傍に配置される第４の極と、第３の極と第４の極との間の電位差を計測する第３の電位差計測部とを備えていても好適である。このようにすれば、電気分解陰極としての第１の極、及び、電気分解陽極としての第２の極に対して電圧を常時印加して（通電して）水電気分解を継続して行う必要がない。より具体的に言えば、第３の電位差計測部によって計測される第３の極及び第４の極間の電位差が所定の電位差（例えば開回路電圧）を下回るときにのみ、水電気分解制御を行えばよく、これにより、水電気分解すべき状況を検知した上で、フィードバック制御等によって必要に応じて水電気分解を行うことができる。
【００１２】
さらに、第１の極及び第３の極を覆うように設けられたガス透過防止部材を更に備えてもよい。この場合、ガス透過防止部材によって第１の極及び第３の極が覆われているので、その部位に、燃料電池の例えばカソードから酸素が拡散してくることが抑止される。これにより、水電気分解によって電気分解陰極としての第１の極で発生した水素が、酸素と反応して水が生成してしまうことが防止され、その結果、僅少量の水電気分解時の分解電流でも、第１の極が所定の値（例えば略０Ｖ）へと変化し易くなる等の利点がある。
【発明の効果】
【００１３】
以上のことから、本発明の燃料電池の供給ガス不足診断装置によれば、煩雑な安定化回路が不要であり、これにより装置構成を簡略化することができ、しかも、電位の計測精度を高め、これにより、燃料電池への供給ガスが不足しているか否かの判定診断を精度よく行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置の第１実施形態を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す構成図である。
【図２】本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置の第２実施形態を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す構成図である。
【図３】図２に示す燃料電池システムを用いた燃料電池の診断処理手順の一例を示すフロー図である。
【図４】本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置の第３実施形態を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す構成図である。
【図５】図４に示す燃料電池システムの一部を示す概略断面図である。
【図６】図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿う概略断面図である。
【図７】本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置の第４実施形態を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す構成図である。
【図８】図７に示す燃料電池システムの一部を示す概略断面図である。
【図９】図８におけるＶＩ−ＶＩ線に沿う概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置の第１実施形態を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す構成図（一部断面図）である。燃料電池システム１００は、ＭＥＧＡ２が一対のセパレータで挟持された燃料電池の単セル（発電セル）を備える。このＭＥＧＡ２は、イオン交換膜で形成された電解質膜２１が、例えば多孔質カーボン素材からなる拡散層に白金等からなる触媒層が結着された一対の電極（アノード２２及びカソード２３）で挟持された構造を有しており、さらに、それらのアノード２２及びカソード２３の両側に、それぞれ、ＧＤＬ２４，２５が設けられたものである。
【００１７】
また、ＧＤＬ２４の外側にはアノードセパレータ３１が当接配置されており、ＧＤＬ２５の外側にはカソードセパレータ３２が当接配置されている。アノードセパレータ３１のＧＤＬ２４に対向する面、及び、カソードセパレータ３２のＧＤＬ２５に対向する面には、それぞれ、溝部３１ａ，３２ａが形成されており、溝部３１ａとＧＤＬ２４により燃料ガス流路が画成され、溝部３２ａとＧＤＬ２５により酸化ガス流路が画成される。
【００１８】
ここで、アノードセパレータ３１及びカソードセパレータ３２は、例えば、カーボンや、導電性を有する硬質樹脂の他、アルミニウムやステンレス等の金属材料からなるガス不透過の導電性材料から形成されており、平面視矩形状を有する。また、ＧＤＬ２４、及びアノード２２の拡散層は、燃料ガスを流通させる機能と、アノード２２の触媒層及びアノードセパレータ３１を電気的に導通させる機能を有する。一方、ＧＤＬ２５、及びカソード２３の拡散層は、酸化ガスを流通させる機能と、カソード２３の触媒層及びカソードセパレータ３２を電気的に導通させる機能を有する。
【００１９】
また、ＭＥＧＡ２の端部（図示向かって右端部）外方に延設された電解質膜２１におけるカソード２３側の面２１ａ、及び、アノード２２側の面２１ｂには、それぞれ、電気分解陽極１０（第２の極）及び電気分解陰極１１（第１の極）が設置されている。これらの電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１には、外部電源５０が接続されており、この外部電源５０から電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１に電圧が印加されることによって、電解質膜２１に含まれる水が電気分解される。このように、電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１から、水電気分解極対が構成されている。
【００２０】
さらに、電解質膜２１の面２１ｂにおいて電気分解陽極１０よりも電気分解陰極１１に近い位置には、電位計測極１２（第３の極）が配置されている。具体的には、電位計測極１２は、ＲＨＥであり、電解質膜２１の面２１ｂにおける電気分解陰極１１に隣設されている。
【００２１】
なお、電位計測極１２は、電気分解陰極１１の近傍に設けられることが望ましく、この場合の「近傍」とは、電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１の水電気分解によって電気分解陰極１１側で生じる水素（発生水素）の濃度が極端に低下しないで拡散することが可能な範囲を示す。
【００２２】
また、カソードセパレータ３２及び電位計測極１２には電位差計測計４１（第２の電位計測部）が接続されており、アノードセパレータ３１及び電位計測極１２には電位差計測計４２（第１の電位計測部）が接続されている。これらにより、カソードセパレータ３２と電位計測極１２との間の電位差Ｖ１、及び、アノードセパレータ３１と電位計測極１２との間の電位差Ｖ２が計測される。なお、図示を省略したが、外部電源５０及び電位差計測計４１，４２には、適宜の制御部が接続されており、これらの外部電源５０及び電位差計測計４１，４２の制御や、電位差計測計４１，４２から出力される電位差計測信号の処理演算等が、制御部によって行われるように構成されている。
【００２３】
このように、電気分解陽極１０（第２の極）、電気分解陰極１１（第１の極）、電位計測極１２（第３の極）、外部電源５０、電位差計測計４１（第２の電位計測部）、電位差計測計４２（第１の電位計測部）、及び制御部から、本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置が構成されている。
【００２４】
かかる構成を有する燃料電池システム１００では、電気分解陽極１０、電気分解陰極１１、及び、電位計測極１２が設けられている部位（ＭＥＧＡ２の図示向かって右端部）が、燃料電池に供給される反応ガスの欠乏し易い領域となっている。また、外部電源５０から電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１に所定の電圧が印加されると、上述の如く、電解質膜２１に含まれる水が電気分解され、電気分解陰極１１では水素が発生する。さらに、電気分解陰極１１及び電位計測極１２の周囲には、燃料ガス流路からＧＤＬ２４、アノード２２、及び電解質膜２１を通って拡散してくる燃料ガス由来の水素も供給される。それらの結果、電位計測極１２は、電気分解陰極１１で生じた水素、及び、周囲に拡散してくる燃料ガス由来の水素の合計量（和）で決定される水素濃度に応じた水素の酸化還元電位を計測し、制御部へ出力する。
【００２５】
このとき、外部電源５０から電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１へ印加する電圧は、電位計測極１２が所定の電位（例えば０Ｖ付近）となる程度の電流が流れるように、且つ、アノード２２に導入される燃料ガスが不足した状態であっても電位計測極１２の周囲の水素濃度が殆ど変化することがない程度の電圧とされる。
【００２６】
そして、かかる状態で、電位差計測計４２（第１の電位計測部）によって、電位計測極１２とアノードセパレータ３１との間の電位差Ｖ２が計測される。そして、制御部において、その電位差Ｖ２と予め設定された所定の値（例えば燃料ガスが過不足ないときの電位差の参照値）とを比較することにより、電位計測極１２が設置された周辺部位において、燃料ガスが不足しているか否かが判定され、且つ、燃料ガスが不足している場合にその不足量がどの程度であるかを推定することができる。また、同時に、電位差計測計４１（第２の電位計測部）によって、電位計測極１２とカソードセパレータ３２との間の電位差Ｖ１が計測される。そして、制御部において、その電位差Ｖ１と予め設定された所定の値（例えば酸化ガスが過不足ないときの電位差の参照値）とを比較することにより、電位計測極１２が設置された周辺部位において、酸化ガスが不足しているか否が判定され、且つ、酸化ガスが不足している場合には、その不足量がどの程度であるかを推定することができる。
【００２７】
このように、燃料電池システム１００によれば、電解質膜２１に含まれる水の電気分解によって、電気分解陰極１１から水素を発生させ、その水素を含む環境下の水素濃度に応じた水素の酸化還元電位を、電位計測極１２を用いて直接的に計測することができる。したがって、例えば特許文献１に記載の従来装置に設けられているような煩雑な安定化回路が不要であり、これにより、装置構成を簡略化することができる。加えて、電位計測極１２によって、近似値ではない水素の酸化還元電位そのものを計測することができるので、電位の計測精度を格段に向上させ、その結果、燃料電池への供給ガスが不足しているか否かの診断判定を極めて精度よく行うことが可能となる。
【００２８】
（第２実施形態）
図２は、本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置の第２実施形態を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す構成図（一部断面図）である。燃料電池システム２００は、ＭＥＧＡ２の電解質膜２１の面２１ａにおける電気分解陰極１１よりも電気分解陽極１０に近い位置に、電位計測極１３（第４の極）が配置されており、且つ、電位計測極１２及び電位計測極１３に、電位差計測計４３（第３の電位計測部）が接続されており、且つ、電気分解陽極１０と外部電源５０の正極との間に電流計測計６０が接続されていること以外は、図１に示す燃料電池システム１００と同様に構成されたものである。具体的には、電位計測極１３は、ＲＨＥであり、電解質膜２１の面２１ａにおける電気分解陰陽極１０に隣設されている。
【００２９】
なお、電位計測極１３は、電気分解陽極１０の近傍ではあるが、水電気分解時に電気分解陽極１０から発生する酸素の影響を受け難い位置に設けられることが望ましく、より具体的には、例えば図２に示す如く、電気分解陽極１０と電位計測極１３との距離が、電気分解陰極１１と電位計測極１２との距離よりも大きくなるように構成される。
【００３０】
通常、外部電源５０から電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１に電圧が印加されていない場合、電気分解陰極１１から水素は発生せず、電位計測極１２は、水電気分解によって生じ得る水素を含まない当該部位の環境下における水素濃度に応じた酸化還元電位を出力し、一方、電位計測極１３は、同様に、当該部位の環境下における酸素濃度に応じた酸化還元電位を出力する。また、アノード２２において燃料ガス（水素）の供給不足がないとき、及び／又は、カソード２３において酸化ガス（空気中の酸素）の供給不足がないときには、電位計測極１２と電位計測極１３との間の電位差Ｖ３は、略所定の値（開回路電圧）を示す。
【００３１】
そこで、そのことを利用して、燃料電池システム２００において、水電気分解すべきか否かを判定した上で、さらに、アノード２２及びカソード２３において反応ガスの供給不足であるか否かを判定する燃料電池の診断処理手順の一例について、図３を参照して以下に説明する。
【００３２】
同図において、処理を開始すると、まず、水電気分解のために外部電源５０から電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１へ印加する電圧ＶoutをＯＦＦにする（つまり、電圧Ｖoutを印加しない；ステップＳ１）。この状態で、電位差計測計４３によって電位計測極１２と電位計測極１３との間の電位差Ｖ３を計測し、その電位差Ｖ３が開回路電圧Ｖocvを下回っているか否かを判定する（ステップＳ２）。電位差Ｖ３が開回路電圧Ｖocvを下回っていない場合（ステップＳ２でＮｏ）には、処理をステップＳ１へ戻入する。一方、電位差Ｖ３が開回路電圧Ｖocvを下回っている（ステップＳ２でＹｅｓ）場合には、外部電源５０から電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１へ印加する電圧ＶoutをＯＮにする（つまり、電圧Ｖoutを印加する；ステップＳ３）。
【００３３】
次いで、この外部電源５０からの電圧Ｖoutを印加した状態で、再び、電位差計測計４３によって電位計測極１２と電位計測極１３との間の電位差Ｖ３を計測し、その電位差Ｖ３が開回路電圧Ｖocvと同等又は略同等であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００３４】
このとき、アノード２２への燃料ガスの供給が不足している場合（つまり、アノード２
が「水素欠」状態の場合）、電気分解陰極１１から発生する水素により、電位計測極１２近傍は、水素雰囲気（電位計測極１２の電位は略０Ｖ）となり、電位差Ｖ３は開回路電圧Ｖocvに相当する電圧へと変化する。よって、電位差Ｖ３が開回路電圧Ｖocvと同等又は略同等である場合（ステップＳ４でＹｅｓ）には、アノード２２への燃料ガスの供給が不足している「水素欠」の状態であると判断する（ステップS５）。
【００３５】
この場合、外部電源５０から電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１に対して電圧を印加して水素を発生させ続けなければ、電位計測極１２近傍の水素濃度は低下してしまい、電位計測極１２は所定の電位（例えば０Ｖ付近）を維持することができない。しかし、電解質膜２１中に存在する水の量は有限であるので、水電気分解を続行すなわち電流を流し続ければ、電解質膜２１に含まれる水が枯渇するおそれがある。
【００３６】
そこで、本実施形態では、ステップＳ６において、電流計測計６０により、水電気分解時の分解電流Ａを計測し、その分解電流Ａと所定の電流値Ａ０（電位計測極１２近傍の水素濃度が十分に高く、電位計測極１２の電位が略０Ｖを維持できる程度の電流値）とを比較する。そして、分解電流Ａが電流値Ａ０以上（或いは、電流値Ａ０＋所定の電流値以上）であれば（ステップＳ６でＹｅｓ）、電位差計測計４２によって計測された電位差Ｖ２に基づいて、「水素欠」の程度を判定する（ステップＳ７）。
【００３７】
一方、分解電流Ａが電流値Ａ０未満（或いは、電流値Ａ０＋所定の電流値未満）であれば（ステップＳ６でＮｏ）、外部電源５０から電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１への電圧Ｖoutの印加をＯＦＦにして水電気分解を停止する（ステップＳ１０）。その状態で、分解電流Ａが電流値Ａ０を上回っているか否かを判定し（ステップＳ１１）、分解電流Ａが電流値Ａ０を上回っている場合（ステップＳ１１でＹｅｓ）には、外部電源５０から電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１への電圧Ｖoutの印加を再びＯＮにして（ステップＳ１２）、処理をステップＳ６（分解電流Ａと所定の電流値Ａ０との比較）へ戻入する。他方、分解電流Ａが電流値Ａ０を上回っていない場合（ステップＳ１１でＮｏ）には、処理をステップＳ１０へ戻入し、電圧ＶoutをＯＦＦにした状態で、ステップＳ１１を繰り返す。
【００３８】
ここで、再びステップＳ４の判定に戻り、カソード２３への酸化ガスの供給が不足している場合（つまり、カソード２３が「酸素欠」状態の場合）、電気分解陽極１０から酸素が発生するものの、電位計測極１３は、その影響を受け難い位置に配置されているので、電位差Ｖ３は何ら変化を生じない。よって、電位差Ｖ３が変化せずに、開回路電圧Ｖocvと同等又は略同等でなない場合（ステップＳ４でＮｏ）には、外部電源５０から電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１への開回路電圧Ｖoutの印加をＯＦＦにして水電気分解を停止し（ステップＳ２０）、且つ、カソード２３への酸化ガスの供給が不足している「酸素欠」であると判断する（ステップＳ２１）。そして、電位差計測計４１によって計測された電位差Ｖ１に基づいて、「酸素欠」の程度を判定する（ステップＳ２２）。
【００３９】
なお、図示を省略したが、水電気分解により、電位差Ｖ３が変化するものの開回路電圧Ｖocvには至らない場合もあり得る。その場合には、「水素欠」と「酸素欠」が同時に起こっていると判断し、且つ、電位差Ｖ１，Ｖ２により、それぞれ、「水素欠」及び「酸素欠」の程度を判定する。
【００４０】
このように構成された燃料電池システム２００によれば、上述した第１実施形態の燃料電池システム１００と同等の作用効果を奏することができる。なお、冗長な記載を避けるため、ここでの同様の詳細な説明は省略する。また、それに加え、上記従来の特許文献１に記載された回路装置に比して更に優れた利点を有する。
【００４１】
すなわち、従来装置では、水電気分解が生じて初めて電気分解陰極が参照電極となり得るため、燃料電池の電解質膜の含水量が低くて水電気分解に適さない状況であっても、水電気分解極対に常時通電して水電気分解を継続して行う必要がある。しかし、前述したとおり、電解質膜中に含まれる水は有限であり、水電気分解を継続すると、例えば電解質膜の周囲からの拡散による水の供給が消費に追いつかなくなる。こうなると、最悪の場合、定電圧制御では、電流が略０（つまり水素が発生しない状態）となってしまい、また、定電流制御では、電気分解極対への印加電圧が過度に高くなり、その結果、電解質膜の絶縁破壊が生じるおそれがある。
【００４２】
これに対し、燃料電池システム２００によれば、図３に示す診断処理手順の一例で説明したとおり、電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１に対して電圧Ｖoutを常時印加して（通電して）水電気分解を継続して行う必要がない。換言すれば、電位差計測計４３によって計測される電位計測極１２，１３間の電位差Ｖ３が所定の電位差（開回路電圧Ｖocv）を下回るときにのみ、水電気分解制御を行えばよく、更に別言すれば、水電気分解すべき状況（「水素欠」状態）を検知した上で、フィードバック制御によって水電気分解を行えばよい。したがって、特許文献１に記載されているような従来の回路装置で問題となり得る事象と同様に懸念される不都合、すなわち、水素が発生しない状態が生起されたり、電気分解陽極１０及び電気分解陰極１１への印加電圧Ｖoutが過度に高くなって電解質膜２１に絶縁破壊が生じたりといった不都合の発生を防止することができる。
【００４３】
（第３実施形態）
図４は、本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置の第３実施形態を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す構成図（一部断面図）であり、図５は、その燃料電池システムの一部を示す概略断面図であり、図６は、図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿う概略断面図である。燃料電池システム３００は、電気分解陰極１１（第１の極）及び電位計測極１２（第３の極）を覆うように設けられたガス透過防止部材１６を備えること以外は、図１に示す燃料電池システム１００と同様の構成を有するものである。
【００４４】
より具体的には、ガス透過防止部材１６は、カソード２３から電気分解陰極１１及び電位計測極１２側へ拡散してくるガス（主として空気由来の酸素）の透過を抑制又は遮断可能な部材から形成されており、電解質膜２１の表面２１ｂ（アノード２２側）における電気分解陰極１１と電位計測極１２との間の部位、並びに、電気分解陰極１１と電位計測極１２の外側側面及び上面（図示下面）を覆うように設けられている（特に図５及び図６参照）。
【００４５】
このように構成された燃料電池システム３００によれば、上述した第１実施形態の燃料電池システム１００と同等の作用効果を奏することができる。なお、冗長な記載を避けるため、ここでの同様の詳細な説明も省略する。
【００４６】
また、ガス透過防止部材１６によって、電気分解陰極１１及び電位計測極１２が覆われており、その部位に酸素が到達することが抑止されるので、水電気分解により電気分解陰極１１で発生した水素が、例えば電位計測極１２と電解質膜２１との間に位置するアノード２２の触媒層等において酸素と反応して水が生成してしまうことを効果的に防止することができる。これにより、僅少量の水電気分解時の分解電流でも、電位計測極１２が所定の値（例えば略０Ｖ）へと変化し易くなり、電位差の計測精度、延いては、診断における判定精度を更に向上させることができる。
【００４７】
さらに、そのように僅少量の水電気分解時の分解電流（少量の水素発生）でも高精度の計測が可能となるので、先述したとおり有限量の電解質膜２１中の水分を有効に利用して、長時間の電圧印加による水電気分解を実行することが可能となるとともに、電位計測極１２の周囲のガス雰囲気を、水電気分解による水素で有意に（不都合な程度に）変化させてしまうことを防止することができる。
【００４８】
（第４実施形態）
図７は、本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置の第４実施形態を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す構成図（一部断面図）であり、図８は、その燃料電池システムの一部を示す概略断面図であり、図９は、図８におけるＩＸ−ＩＸ線に沿う概略断面図である。燃料電池システム４００は、電気分解陰極１１（第１の極）及び電位計測極１２（第３の極）を覆うように設けられたガス透過防止部材１７を備えること以外は、図４〜図６に示す燃料電池システム３００と同様に構成されたものである。
【００４９】
このガス透過防止部材１７は、燃料電池システム３００におけるガス透過防止部材１６と同様に、カソード２３から電気分解陰極１１及び電位計測極１２側へ拡散してくるガス（主として酸素）の透過を抑制又は遮断可能な部材で形成されている。また、ガス透過防止部材１７は、電解質膜２１の表面２１ａ（カソード２３側）における電気分解陽極１０の側方且つ電位計測極１２に対向する部位、並びに、電気分解陰極１１と電位計測極１２の外側側面及び上面（図示下面）を覆うように設けられている（特に図８及び図９参照）点において、燃料電池システム３００におけるガス透過防止部材１６と相違する。
【００５０】
このように構成された燃料電池システム３００によっても、前述した第３実施形態の燃料電池システム３００と同等の作用効果を奏することができる。なお、冗長な記載を避けるため、ここでの同様の詳細な説明も省略する。
【００５１】
なお、上述したとおり、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、ガス透過防止部材１６，１７のそれぞれは、全体が一体に形成されていても、一部と他部が別体に形成されていてもよい。また、それらのガス透過防止部材１６，１７によって実現されるガス透過防止構造は、完全な密閉構造でもよいし、半密閉構造であっても構わない。後者の如く半密閉構造である場合、開口部が存在していてもよく、その開口部は、アノード２２に供給される燃料ガス（水素）の流れに影響を受け難いように、その燃料ガスの流れの下流側に形成されることが望ましい。さらに、ガス透過防止部材１６，１７の構成を組み合わせて用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上説明したとおり、本発明による燃料電池の供給ガス不足診断装置は、煩雑な安定化回路を必要としない簡略な構成でも、電位計測値の精度を向上させることができ、これにより、燃料電池への供給ガスが不足しているか否かの判定を精度よく行うことができるので、燃料電池を用いた装置、機器、車両等の可動システム、設備等、及び、それらの製造や診断技術全般に広く且つ有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１００，２００，３００，４００：燃料電池システム
２：ＭＥＧＡ
２１：電解質膜
２１ａ，２１ｂ：電解質膜２１の面
２２：アノード
２３：カソード
２４，２５：ＧＤＬ
１０：電気分解陽極（第２の極）
１１：電気分解陰極（第１の極）
１２：電位計測極（第３の極）
１３：電位計測極（第４の極）
１６，１７：ガス透過防止部材
３１：アノードセパレータ
３１ａ，３２ａ：溝部
３２：カソードセパレータ
４１：電位差計測計（第２の電位計測部）
４２：電位差計測計（第１の電位計測部）
４３：電位差計測計（第３の電位計測部）
５０：外部電源
６０：電流計測計
Ａ：分解電流
Ａ０：電流値
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３：電位差
Ｖout：外部電源電圧
Ｖocv：開回路電圧
【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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