(57)【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を発生させる固体高分子電解質型の燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）に所定周波数の交流を印加する交流印加手段（１２、１３）と、
前記燃料電池（１０）の出力電流を検出する電流検出手段（１４）と、
前記燃料電池（１０）の出力電圧を検出する電圧検出手段（１５）と、
前記交流印加手段（１２、１３）で前記燃料電池（１０）に交流を印加した状態における、前記電流検出手段（１４）の検出値の変化と前記電圧検出手段（１５）の検出値の変化に基づいて前記燃料電池（１０）の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段で検出された交流インピーダンスに基づいて前記燃料電池（１０）の電解質膜と触媒との界面で発生するコンデンサ成分の静電容量を取得する静電容量取得手段と、
前記コンデンサ成分の静電容量に基づいて前記燃料電池（１０）の電解質膜と触媒層の界面における内部水分量を診断する内部水分量診断手段とを備え、
前記所定周波数は、前記電気化学反応時の前記交流の周波数と前記コンデンサ成分の静電容量との関係を第１の周波数特性とし、未電気化学反応時の前記交流の周波数と前記コンデンサ成分の静電容量との関係を第２の周波数特性とした場合において、前記第１の周波数特性と第２の周波数特性の前記コンデンサ成分の静電容量が重複し始める重複点から前記コンデンサ成分の静電容量の減衰の傾きが変化する変曲点までの間の周波数帯域に設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池（１０）は、複数のセル（１００）を積層して構成され、
前記電圧検出手段（１５）は、前記複数のセル（１００）毎の出力電圧を検出するように構成されており、
前記インピーダンス検出手段は、前記電流検出手段（１４）の検出値の変化と前記複数のセル（１００）毎の前記電圧検出手段（１３）の検出値の変化に基づいて前記複数のセル（１００）毎の交流インピーダンスを検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池（１０）は、複数のセル（１００）を積層して構成され、
前記電圧検出手段（１５）は、前記複数のセル（１００）のうち一部のセル（１００）の出力電圧を検出するように構成されており、
前記インピーダンス検出手段は、前記電流検出手段（１４）の検出値の変化と前記一部のセル（１００）における前記電圧検出手段（１５）の検出値の変化に基づいて前記一部のセル（１００）の交流インピーダンスを検出することを特徴とする請求項１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】
固体高分子電解質型の燃料電池は、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、燃料電池スタックの電解質膜の湿潤状態を判断する水分量診断方法として、燃料電池スタックは各セルの交流インピーダンスのバラツキに基づいて診断するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−２５２８６４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、特許文献１の燃料電池内部の水分量診断では、反応抵抗、電荷移動抵抗、電解質膜の膜抵抗等の全ての内部抵抗が含まれており、内部抵抗には燃料電池内部の水分状態を特定するために不要な情報も含まれている。そのため、燃料電池内部の水分量診断として精度が低くなるといった問題がある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池内部の水分量診断の精度の向上を図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、請求項１に係る発明では、酸素と水素を電気化学反応させて電気エネルギを発生させる固体高分子電解質型の燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に所定周波数の交流を印加する交流印加手段（１２、１３）と、燃料電池（１０）の出力電流を検出する電流検出手段（１４）と、燃料電池（１０）の出力電圧を検出する電圧検出手段（１５）と、交流印加手段（１２、１３）で燃料電池（１０）に交流を印加した状態における、電流検出手段（１４）の検出値の変化と電圧検出手段（１５）の検出値の変化に基づいて燃料電池（１０）の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、インピーダンス検出手段で検出された交流インピーダンスに基づいて燃料電池（１０）の電解質膜と触媒との界面で発生するコンデンサ成分の静電容量を取得する静電容量取得手段と、コンデンサ成分の静電容量に基づいて燃料電池（１０）の電解質膜と触媒との界面における内部水分量を診断する内部水分量診断手段とを備え、所定周波数は、前記電気化学反応時の前記交流の周波数と前記コンデンサ成分の静電容量との関係を第１の周波数特性とし、未電気化学反応時の前記交流の周波数と前記コンデンサ成分の静電容量との関係を第２の周波数特性とした場合において、前記第１の周波数特性と第２の周波数特性の前記コンデンサ成分の静電容量が重複し始める重複点から前記コンデンサ成分の静電容量の減衰の傾きが変化する変曲点までの間の周波数帯域に設定されていることを特徴としている。
【０００７】
このように、燃料電池（１０）に印加する交流の周波数を第１変曲点から第２変曲点までの周波数帯域に設定した上で、交流インピーダンスを検出し、燃料電池（１０）のコンデンサ成分の静電容量を取得しているため、重複点よりも低い周波数帯域および変曲点よりも高い周波数帯域においてコンデンサ成分の静電容量に含まれる燃料電池（１０）内部の水分状態と関係しない情報を除去することができる。
【０００８】
すなわち、燃料電池（１０）内部の水分状態と関係する燃料電池（１０）の電解質膜と触媒との界面に発生する電気二重層コンデンサの静電容量を精度よく取得することができる。その結果、取得した電気二重層コンデンサの静電容量に基づいて、燃料電池（１０）内部の水分量の診断の精度の向上を図ることができる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明のように、請求項１に記載の発明において、燃料電池（１０）は、複数のセル（１００）を積層して構成され、電圧検出手段（１５）は、複数のセル（１００）毎の出力電圧を検出するように構成されており、インピーダンス検出手段は、電流検出手段（１４）の検出値の変化と複数のセル（１００）毎の電圧検出手段（１３）の検出値の変化に基づいて複数のセル（１００）毎の交流インピーダンスを検出するようにしてもよい。
【００１０】
また、請求項３に係る発明のように、請求項１に記載の発明において、燃料電池（１０）は、複数のセル（１００）を積層して構成され、電圧検出手段（１５）は、複数のセル（１００）のうち一部のセル（１００）の出力電圧を検出するように構成されており、インピーダンス検出手段は、電流検出手段（１４）の検出値の変化と一部のセル（１００）における電圧検出手段（１５）の検出値の変化に基づいて一部のセル（１００）の交流インピーダンスを検出するようにしてもよい。
【００１１】
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】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図８に基づいて説明する。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。
【００１３】
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（空気）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。
【００１４】
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１００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１００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。
【００１５】
（水素極：アノード）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（空気極：カソード）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
この燃料電池１０は、電力機器１１や２次電池１２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。燃料電池１０と二次電池１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して電気的に接続されている。なお、二次電池１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、本発明の交流印加手段に相当している。
【００１６】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池１０から二次電池１２あるいは二次電池１２から燃料電池１０への電力の流れをコントロールするもので、燃料電池１０で発生した電力を二次電池１２に充電することができ、二次電池１２に蓄えられた電力を燃料電池１０や電気機器１１に供給することができる装置である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、電圧の大きさに関わらず双方向に電力のやり取りが可能となっている。
【００１７】
また、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センサ１４と、各セルの出力電圧を検出するセルモニタ１５が設けられている。電流センサ１４で検出した電流信号とセルモニタ１５で検出したセル電圧信号は、後述する制御部５０に入力されるようになっている。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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５０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。
【００２２】
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。
【００２３】
燃料電池１０は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（冷却媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ４３が設けられている。
【００２４】
制御部（ＥＣＵ）５０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５０には、電流センサ１４からの電流信号、セルモニタ１５からのセル電圧信号等が入力される。また、燃料電池制御部５０は、演算結果に基づいて、二次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、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。
【００２５】
図２は、燃料電池１０を構成するセル１００の構成を示す模式図である。図２に示すように、セル１００は、電解質膜１０１、触媒層１０２、拡散層１０３、セパレータ１０４を備えている。電解質膜１０１の両外側には、触媒層１０２が配置され、各触媒層１０２の外側には拡散層１０３が配置されており、各拡散層１０３の外側には、セパレータ１０４が配置されている。
【００２６】
ここで、触媒層１０２および拡散層１０３は、各電極（水素極、空気極）を構成している。触媒層１０２は、カーボン担体に電気化学反応を促進する触媒（白金等）を担持させたカーボン担持白金触媒１０２ａ等で構成され、拡散層１０３は、導電体でかつ液体水分保持性能を有するカーボンクロス等で構成されている。
【００２７】
図３（ａ）は、セル１００の水素極側を拡大した模式図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ部をさらに拡大した模式図である。図３（ａ）に示すように、電解質膜１０１、水素極側の触媒層１０２、反応ガス（水素）の三相界面（水素極の三相界面）では、水素分子がプロトンと電子に分離する反応が起こる。
【００２８】
そして、電子は水素極側の触媒層１０２に流れ、プロトンは電解質膜１０１に流れる。電解質膜１０１に移動したプロトンは、電解質膜１０１、水素極側の触媒層１０２、水素の三相界面（水素極の三相界面）に存在する水分で水和され、Ｈ３Ｏ＋として電解質膜１０１内をカソード側に移動する。
【００２９】
このように、プロトンがセル１００の水素極で生成され電解質膜１０１内を移動するためには、水素極の三相界面に水分が存在していることが必要となる。このため、燃料電池１０の電気化学反応が起こるためには、水素極の三相界面の水分が重要な役割を果たす。
【００３０】
ここで、図３（ｂ）に示すように水素極側の触媒層１０２では、カーボン担持白金触媒の細孔内で分極が起き、電気二重層が発生する。同様に、空気極側の触媒層１０２でも、カーボン担持白金担持触媒の細孔内で分極が起き、電気二重層が発生する。
【００３１】
そのため、電解質膜１０１と触媒層１０２との界面には、コンデンサ成分として電気二重層コンデンサＣａが存在する。この電気二重層コンデンサＣａの静電容量（電気二重層コンデンサ容量）は、電解質膜１０１と触媒層１０２との界面の水分量により変化する。
【００３２】
以下、この点について説明する。ここで、空気極側の触媒層１０２と電解質膜１０１との界面には、反応水により水分量が確保された状態であるため、水素極側の触媒層１０２と電解質１０１との界面における水分量の変化ついて説明する。
【００３３】
図４は、水素極側の触媒層１０２の有効面積Ｓａと水素極の水分量との関係を示している。図４に示すように、水素極側の触媒層１０２の有効面積Ｓａと水素極の水分量との関係は、水素極の水分量が所定値に達するまで、有効触媒面積Ｓａは水素極の水分量に比例して増加し、水素極の水分量が所定値を超えた場合には、有効触媒面積Ｓａは一定となる。このため、所定値を超えた水分は水素極での反応に寄与しない。
【００３４】
一方、電気二重層コンデンサ容量Ｃａは、Ｃａ＝ε・Ｓａ／ｄで求めることができる。ただし、εは電解質膜１０１の誘電率、ｄは電気二重層の厚み、Ｓａは有効触媒面積（電解質膜１０１、触媒層１０２、反応ガス（水素）の三相界面の面積）である。
【００３５】
このように、電気二重層コンデンサ容量Ｃａは有効触媒面積Ｓａによって変化する。具体的には、有効触媒面積Ｓａが大きいほど電気二重層コンデンサ容量Ｃａが大きくなり、有効触媒面積Ｓａが小さいほど電気二重層コンデンサ容量Ｃａが小さくなる。
【００３６】
上述のように、水素極側の触媒層１０２の有効触媒面積Ｓａは水素極の水分量に応じて増加することから、有効触媒面積Ｓａによって変化する電気二重層コンデンサ容量Ｃａは、水素極の水分量によって変化する関係となっている。
【００３７】
図５は、燃料電池１０の内部水分量と、電気二重層コンデンサ容量Ｃａとの関係を示している。図５に示すように、電気二重層コンデンサ容量Ｃａは、水分量が不足する領域（ドライアップ領域）では、燃料電池１０の内部水分量（電解質膜１０１と触媒層１０２との界面に存在する水分量）に比例して増加し、水分量が過剰で飽和した飽和領域（フラッディング領域）では一定値となっている。
【００３８】
このように、電気二重層コンデンサ容量Ｃａは水分量に比例して増加している領域および飽和領域に至るまでの領域では、電気二重層コンデンサ容量Ｃａに基づいて燃料電池１０の内部水分量を得ることができる。この電気二重層コンデンサ容量Ｃａと燃料電池１０の内部水分量との関係は、予め実験的に求めてマップ化しておけばよい。
【００３９】
次に、燃料電池１０のセル１００の等価回路について図６に基づいて説明する。図６に示すように、セル１００における水素極側に、拡散過電圧Ｅ、反応抵抗Ｒ１、擬似二重層コンデンサＣａ´、電荷移動抵抗Ｒ２、電気二重層コンデンサＣａが存在し、電解質膜１０１には膜抵抗Ｒｍが存在している。なお、図示しないが、空気極にも同様の拡散過電圧、反応抵抗、擬似二重層コンデンサ、電荷移動抵抗、電気二重層コンデンサが存在している。
【００４０】
ここで、等価回路に示すように、燃料電池１０のセル１００には、水素極、空気極の触媒層１０２のカーボン担持白金触媒１０２ａで酸化還元反応が起きる際に、擬似二重層が発生するため、擬似二重層コンデンサＣａ´が存在している。
【００４１】
この等価回路によれば、燃料電池１０のセル１００における交流インピーダンスのコンデンサ成分には、電解質膜１０１と触媒層１０２との界面の水分状態によって変化する電気二重層コンデンサの静電容量Ｃａ、カーボン担持白金触媒１０２ａの酸化還元反応に関係する擬似二重層コンデンサの静電容量Ｃａ´（擬似二重層コンデンサ容量）、および、拡散過電圧Ｅの情報が含まれる。
【００４２】
そのため、精度良く電解質膜１０１と触媒層１０２との界面の水分状態を判断するためには、交流インピーダンスのコンデンサ成分から擬似二重層コンデンサ容量Ｃａ´等を分離し、電気二重層コンデンサ容量Ｃａを取得することが必要となる。以下、この点について説明する。
【００４３】
まず、燃料電池１０の各セル１００の交流インピーダンスを測定するために、燃料電池１０に二次電池１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１３を用いて、所定電流の交流を印加する。ここで、別体の交流印加装置を用いて燃料電池１０に交流を印加するように構成してもよい。
【００４４】
そして、燃料電池１０に交流を印加している際に、セルモニタ１５と電流センサ１４で電圧値と電流値を測定する。そして、セルモニタ１５で測定した電圧値の変化と電流センサ１４で測定した電流値の変化から各セル１００の交流インピーダンスを計算することができる。燃料電池１０に交流を印加したときの交流インピーダンスは各セル１００の内部抵抗にほぼ等しいため、セル１００の交流インピーダンスを燃料電池１０の内部抵抗として扱うことができる。
【００４５】
そして、セルモニタ１５で測定した電圧の変化と電流センサ１４で測定した電流値の変化の位相差を算出し、交流インピーダンスからコンデンサ成分を分離することで、燃料電池１０の各セル１００のコンデンサ成分の静電容量を取得することができる。
【００４６】
次に、燃料電池１０に印加する交流の周波数を変化させた場合の、セル１００のコンデンサ成分の静電容量の周波数特性について図７に基づいて説明する。図７は、燃料電池１０の内部水分量が過剰な状態（フラッディング状態）および燃料電池１０の内部水分量が少ない乾燥した状態（ドライアップ状態）におけるコンデンサ成分の周波数特性を示している。
【００４７】
ここで、図７における実線は、燃料電池１０のセル１００に水素と酸素をそれぞれ供給し、燃料電池１０に印加する交流の周波数を変化させた場合のコンデンサ成分の周波数特性、破線は、燃料電池１０のセル１００に不活性ガスである窒素を供給し、燃料電池１０に印加する交流の周波数を変化させた場合のコンデンサ成分の周波数特性を示している。
【００４８】
すなわち、図７中の実線は、酸素と水素とを電気化学反応時における、コンデンサ成分の静電容量の周波数特性（第１の周波数特性）を示し、破線は、酸素と水素とを電気化学反応させない未電気反応時における、コンデンサ成分の静電容量の周波数特性（第２の周波数特性）を示している。
【００４９】
図７に示すように、燃料電池１０に印加する交流の周波数が低い帯域においては、第１の周波数特性におけるコンデンサ成分の静電容量に対して第２の周波数特性におけるコンデンサ成分の静電容量が高い値を示している。
【００５０】
交流の周波数が低い帯域において、第１、第２の周波数特性におけるコンデンサ成分の静電容量に差が発生するのは、酸素と水素とを電気化学反応させた場合におけるカーボン担持白金触媒の酸化還元反応に関係する擬似二重層コンデンサＣａ´、および、拡散過電圧Ｅの情報がコンデンサ成分の静電容量に含まれるためである。
【００５１】
この周波数の帯域では、電解質膜１０１と触媒層１０２との界面の水分量に関係しない擬似二重層コンデンサ容量Ｃａ´等の影響によってコンデンサ成分の静電容量の変化が大きくなるため、電解質膜１０１と触媒層１０２との界面の水分量に関係する電気二重層コンデンサ容量Ｃａの変化を検出し難い。
【００５２】
次に、周波数が低い帯域から周波数を高くした帯域では、第１の周波数特性におけるコンデンサ成分の静電容量に対して第２の周波数特性におけるコンデンサ成分の静電容量が重複する。ここで、「重複する」とは、第１の周波数特性におけるコンデンサ成分の静電容量に対して第２の周波数特性におけるコンデンサ成分の静電容量および静電容量の変化の傾きが同程度（予め実験等で算出した所定範囲内）となる状態を示している。なお、このコンデンサ成分の静電容量が重複し始める点が、第１の周波数特性における重複点に相当している。
【００５３】
この周波数の帯域では、カーボン担持白金触媒１０２ａの酸化還元反応がほぼ発生せず、擬似二重層コンデンサ容量Ｃａ´や拡散過電圧Ｅの情報がコンデンサ成分の静電容量に含まれ難いため、取得するコンデンサ成分の静電容量は、セル１００の電解質膜１０１と触媒層１０２との界面の水分量により変化する電気二重層コンデンサ容量Ｃａと略同程度となる。
【００５４】
さらに燃料電池１０に印加する交流の周波数を高くした帯域では、コンデンサ成分の静電容量の減衰の傾きが変化する。なお、このコンデンサ成分の静電容量の減衰の傾きが変化する点が変曲点に相当している。このコンデンサ成分の静電容量の減衰は、コンデンサ内の誘電体の誘電緩和に係る時間が周波数の変化速度に追従できなくなることに起因するコンデンサの誘電率の減少等により発生する。
【００５５】
そのため、この周波数の帯域では、電解質膜１０１と触媒層１０２との界面の水分量と無関係に電気二重層コンデンサ容量Ｃａの変化が大きくなるため、電解質膜１０１と触媒層１０２との界面の水分量に関係する電気二重層コンデンサ容量Ｃａの変化を検出し難い。
【００５６】
このように、燃料電池１０に印加する交流の周波数を、第１周波数特性における第２周波数特性のコンデンサ成分の静電容量が重複し始める点（重複点）からコンデンサ成分の静電容量の減衰の傾きが変化する点（変曲点）までの周波数帯域（図７中の一点破線間の帯域）に設定することで、燃料電池１０の水分量と関係する電気二重層コンデンサＣａの静電容量の変化を精度良く検出することができる。
【００５７】
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８は、制御部５０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。
【００５８】
図８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（Ｓ１０）。この結果、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（Ｓ１０：ＹＥＳ）、システムを停止させる。一方、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（Ｓ１０：ＮＯ）、燃料電池１０に二次電池２とＤＣ−ＤＣコンバータ３を用いて交流を印加する（Ｓ１１）。
【００５９】
ここで、燃料電池１０に印加する交流の所定周波数は、上述のように予め取得しておいた酸素と水素とを電気化学反応させた場合のコンデンサ成分の静電容量の周波数特性（第１の周波数特性）と酸素と水素とを電気化学反応させない場合のコンデンサ成分の静電容量の周波数特性（第２の周波数特性）に基づいて、重複点と変曲点間の周波数帯域となるように設定されている。
【００６０】
次に、燃料電池１０の各セル１００の出力電圧の変化をセルモニタ１３で測定し（Ｓ１２）、燃料電池１０の出力電流の変化を電流センサ１２で測定する（Ｓ１３）。そして、Ｓ１３で測定した出力電流の変化に対応する電圧の変化から各セルの交流インピーダンスを検出する（Ｓ１４）。
【００６１】
Ｓ１４で検出した交流インピーダンスの出力電流に対する出力電圧の位相差により、交流インピーダンスのコンデンサ成分の静電容量、すなわち電気二重層コンデンサ容量Ｃａを取得する（Ｓ１５）。そして、電気二重層コンデンサ容量Ｃａに基づいて燃料電池１０の内部水分量の診断を行う（Ｓ１６）。
【００６２】
このＳ１６の診断処理は、電気二重層コンデンサ容量Ｃａと燃料電池１０の内部水分量とが関係付けられた制御マップ（図５参照）を用いて行われる。ここでは、燃料電池１０の電解質膜１０１と触媒層１０２との界面における水分量を診断することができる。
【００６３】
例えば、内部水分量が適正な範囲に対応する電気二重層コンデンサ容量Ｃａの上限値と下限値を予め設定しておき、Ｓ１５で取得した電気二重層コンデンサ容量Ｃａ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。
【００６４】
次に、Ｓ１６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（Ｓ１７）。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への供給空気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。
【００６５】
以上説明したように、燃料電池１０に所定周波数の交流を印加して、セル１００の出力電圧および出力電流の変化により交流インピーダンスを検出し、交流インピーダンスのコンデンサ成分より、精度の良く電解質膜１０１と触媒層１０２との界面に発生する電気二重層コンデンサ容量Ｃａの変化を求めることで、燃料電池１０の内部水分量、特に水素極側の三相界面に存在する水分量を精度良く診断することができる。その結果、燃料電池１０内部の水分量診断の精度の向上を図ることができる。
【００６６】
なお、本発明のインピーダンス検出手段、静電容量取得手段、内部水分量診断手段は、それぞれ制御部５０の処理によって構成されるものであり、インピーダンス検出手段はＳ１４の処理に対応し、静電容量取得手段はＳ１５の処理に対応し、内部水分量診断手段はＳ１６の処理に対応している。
【００６７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図９に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様または均等な部分について同一の符号を付し、その説明を省略する。ここで、図９は、燃料電池１０内部におけるセル１００の積層方向に対する温度分布を示している。
【００６８】
図９に示すように、燃料電池１０内部におけるセル１００の積層方向に対する温度分布は、燃料電池１０の端部側のセル１００は、燃料電池１０の端部間の中間部のセル１００に比べて低温となりやすい。そのため、燃料電池１０の端部側のセル１００と中央部のセル１００における電解質膜１０１と触媒層１０２との界面の水分量が異なっている。
【００６９】
そこで、本実施形態では、端部側のセル１００と中央部のセル１００にセルモニタ１５を接続し、端部側のセル１００と中央部のセル１００の出力電圧、コンデンサ成分の静電容量、水分量を検出するように構成されている。
【００７０】
これにより、電解質膜１０１と触媒層１０２との界面の水分量が異なる端部側のセル１００と中央部のセル１００において、電解質膜１０１と触媒層１０２との界面の水分量を検出することができる。
【００７１】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。
【００７２】
（１）上述の実施形態では、上記各実施形態では、セルモニタ１３にて個々のセル１００毎の出力電圧を測定するように構成したが、これに限らず、複数（例えば１０枚）のセル１００をひとまとめにして、燃料電池１０を構成するセル１００を複数ブロックに分割し、複数のセル１００からなるブロック毎に出力電圧を測定するように構成してもよい。
【００７３】
（２）上述の実施形態では、燃料電池１０のセル１００内部の電解質膜１０１と触媒層１０２との界面における水分量を計測しているが、セル１００内部における乾燥しやすい部位、水分過剰となりやすい部位等に分割して、局所部位の水分量を計測してもよい。
【００７４】
これにより、セル内部における局所部位の水分量を計測することができるため、燃料電池１０の水分量診断の精度の向上を図ることができる。なお、セル１０内部の水分過剰となりやすい部位は、セパレータ１０４により形成される水素の排出流路に近い部位であり、また、乾燥しやすい部位は、セパレータ１０４により形成される水素の供給流路に近い部位である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】燃料電池を構成するセルの構成を示す模式図である。
【図３】セルの水素極側を拡大した模式図である。
【図４】水素極の触媒層の有効面積と水素極の水分量との関係を示す特性図である。
【図５】燃料電池の内部水分量と、電気二重層コンデンサの静電容量の関係を示す特性図である。
【図６】セルの等価回路を示す回路図である。
【図７】セル内の交流インピーダンスのコンデンサ成分の静電容量の周波数特性を示す特性図である。
【図８】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９】燃料電池内部におけるセルの積層方向に対する温度分布の特性図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０    固体高分子電解質型燃料電池
１４    電流センサ
１５    セルモニタ
１００  セル
１０１  電解質膜
１０２  触媒層
【図１】
0004968113.tif 000002
【図２】
0004968113.tif 000003
【図３】
0004968113.tif 000004
【図４】
0004968113.tif 000005
【図５】
0004968113.tif 000006
【図６】
0004968113.tif 000007
【図７】
0004968113.tif 000008
【図８】
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【図９】
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