(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の電気反応部位における水分量診断の精度の向上が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質膜１０１、電解質膜１０１の両側に配置された触媒層１０２、触媒層１０２の外側に配置されたガス拡散層１０３、および、ガス拡散層１０３を狭持するように配置されたセパレータ１０４を含んで構成されるセル１００を、複数枚積層した燃料電池と、電解質膜１０１の水素極側の表面に設けられた第１参照極１０８と、水素極側の触媒層１０２内部に設けられた第２参照極１０９と電流センサで検出された電流値とセルモニタ１５で検出された電位差から電解質膜１０１と水素極側の触媒層１０２との間の抵抗値を検出する抵抗検出手段と、抵抗検出手段で検出された抵抗値に基づいてセル１００の水素極側における内部水分量を診断する内部水分量検出手段とを備える。【選択図】図２
2009193900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜（１０１）、前記電解質膜（１０１）の両側に配置された触媒層（１０２）、前記触媒層（１０２）の外側に配置されたガス拡散層（１０３）、および、前記ガス拡散層（１０３）を狭持するように配置されたセパレータ（１０４）を含んで構成され、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セル（１００）を、複数枚積層した固体高分子電解質型の燃料電池（１０）と、
前記電解質膜（１０１）の水素極側の表面に設けられた第１参照極（１０８）と、
水素極側の前記触媒層（１０２）内部に設けられた第２参照極（１０９）と、
前記第１参照極（１０８）と前記第２参照極（１０９）との間の電位差を検出する電位差検出手段（１５）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、
前記電流検出手段（１４）で検出された電流値と前記電圧検出手段（１５）で検出された電位差から前記電解質膜（１０１）と前記水素極側の触媒層（１０２）との間の抵抗値を検出する抵抗検出手段と、
前記抵抗検出手段で検出された抵抗値に基づいて前記セル（１００）の水素極側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ることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記セル（１００）は、水素極側の前記セパレータ（１０４）と前記ガス拡散層（１０３）との間に水素が通過する水素ガス流路（１０６）が設けられており、
前記第１参照極（１０８）は、前記電解質膜（１０１）の水素極側の表面における前記水素ガス流路（１０６）の水素排出口（１０６ｂ）側に設けられ、
前記第２参照極（１０９）は、前記水素極側の触媒層（１０２）における前記水素ガス流路（１０６）の水素供給口（１０６ａ）側に設けられてい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】
前記第１参照極（１０８）は、前記電解質膜（１０１）の水素極側の表面と前記水素極側の触媒層（１０２）とを接着する接着部材（１０５）内部に設けられてい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。
【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】
従来、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この燃料電池には、例えば、車両等の駆動電源としての応用が検討されている固体高分子電解質型の燃料電池がある。この燃料電池の単セルは、電解質膜（固体高分子膜）の両面が電極触媒層（水素極、酸素極）で挟まれ、電極触媒層の外側にガス拡散層が付されたものが、セパレータによって狭持されている。この種の燃料電池では、単セルが積層されて燃料電池スタックとなっている。
【０００３】
上述の燃料電池では、燃料電池の発電性能等を診断するために、参照電極等を用いて、セル内の電位差等を測定しているものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
ここで、特許文献１では、アノード側（水素側）のガス拡散層上に参照電極を設け、参照電極の電位に対するアノード側電極の電位変化に基づいて燃料ガス不足を検出している。また、特許文献２では、アノード側電極（水素極）およびカソード側電極（酸素極）に参照極を設け、外部より交流波を印加して、アノード側電極およびカソード側電極における抵抗を分離して検出することで、燃料電池の電気的特性を測定している。
【特許文献１】特開２００６−２７８２４６号公報
【特許文献２】特開２００７−２６５８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、固体高分子電解質型燃料電池では、燃料電池内部の水分量が不足し、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出力電圧が低下する。一方、燃料電池内部の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て、出力電圧が低下する。このように、固体高分子型燃料電池では、燃料電池の電気反応部位の水分状態を診断することが、燃料電池の発電性能等を診断するために重要となっている。
【０００６】
しかし、特許文献１では、燃料ガス不足を検出できるだけで、燃料電池内部の水分状態を診断することができない。また、特許文献２では、アノード側電極およびカソード側電極の抵抗を分離して検出しているものの、検出された抵抗には、ガス拡散抵抗、反応過電圧等の情報が含まれている為、電気反応部位における水分状態を精度よく診断することができない。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池の電気反応部位における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】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電解質膜（１０１）、電解質膜（１０１）の両側に配置された触媒層（１０２）、触媒層（１０２）の外側に配置されたガス拡散層（１０３）、および、ガス拡散層（１０３）を狭持するように配置されたセパレータ（１０４）を含んで構成され、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セル（１００）を、複数枚積層した固体高分子電解質型の燃料電池（１０）と、電解質膜（１０１）の水素極側の表面に設けられた第１参照極（１０８）と、水素極側の触媒層（１０２）内部に設けられた第２参照極（１０９）と、第１参照極（１０８）と第２参照極（１０９）との間の電位差を検出する電位差検出手段（１５）と、燃料電池（１０）の出力電流を検出する電流検出手段（１４）と、電流検出手段（１４）で検出された電流値と電圧検出手段（１５）で検出された電位差から電解質膜（１０１）と水素極側の触媒層（１０２）との間の抵抗値を検出する抵抗検出手段と、抵抗検出手段で検出された抵抗値に基づいてセル（１００）の水素極側における内部水分量を診断する内部水分量検出手段とを備えることを特徴としている。
【０００９】
このように、電解質膜（１０１）の水素極側の表面に第１参照極（１０８）を設け、水素極側の触媒層（１０２）に第２参照極（１０９）を設け、水素、電解質膜（１０１）、および、水素極側の触媒層（１０２）の三相界面における電荷移動抵抗、すなわち燃料電池（１０）の内部水分量により変化する抵抗を検出することができる。その結果、燃料電池（１０）の電気反応部位における水分量診断の精度の向上を図ることができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、セル（１００）は、水素極側のセパレータ（１０４）とガス拡散層（１０３）との間に水素が通過する水素ガス流路（１０６）が設けられており、第１参照極（１０８）は、電解質膜（１０１）の水素極側の表面における水素ガス流路（１０６）の水素排出口（１０６ｂ）側に設けられ、第２参照極（１０９）は、水素極側の触媒層（１０２）における水素ガス流路（１０６）の水素供給口（１０６ａ）側に設けられていることを特徴としている。
【００１１】
このように、第１参照極（１０８）を、セル（１００）内部において乾燥し易い部位である水素ガス流路（１０６）の水素排出口（１０６ｂ）側に設け、第２参照極（１０９）を、セル（１００）内部において乾燥し難い部位である水素ガス流路（１０６）の水素供給口（１０６ａ）側に設けることで、セル（１００）内部の水分量を精度良く検出することができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の発明において、第１参照極（１０８）は、電解質膜（１０１）の水素極側と水素極側の触媒層（１０２）とを接着する接着部材（１０５）内部に設けてもよい。
【００１３】
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】
【００１４】
（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６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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
（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。
【００１８】
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。
【００１９】
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（電流測定手段）１４と、後述する燃料電池１０の各セル１００内部に設けられる第１、第２電極１０８、１０９間の電位差を測定するセルモニタ（電位差測定手段）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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、冷却水経路４０における燃料電池１０の出口側近傍には、燃料電池１０から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４４が設けられている。この温度センサ４４により冷却水温度を検出することで、燃料電池１０の温度を間接的に検出することができる。なお、セルモニタ１５内に温度センサ４４を組み込むことで、燃料電池１０の温度を直接的に検出してもよい。
【００２７】
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、温度センサ４４からの温度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。
【００２８】
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。電解質膜１０１、触媒層１０２は、導電性のある接着剤等の接着部材１０５により接着されている。
【００２９】
ここで、触媒層１０２および拡散層１０３は、各電極（水素極、酸素極）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白金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。
【００３０】
また、拡散層１０３とセパレータ１０４との間には、反応ガスが通過する反応ガス流路が形成されている。水素極側に配置されたセパレータ１０４には、反応ガス流路として水素が通過する水素ガス流路１０６が形成され、酸素極側に配置されたセパレータ１０４には、反応ガス流路として酸素（空気）が通過する酸素ガス流路１０７が形成されている。
【００３１】
水素ガス流路１０６は、セル１００内に水素を供給するための水素供給口１０６ａおよびセル１００内から未使用水素を排出するための水素排出口１０６ｂが形成されている。また、酸素ガス流路１０７は、セル１００内に酸素を供給するための酸素供給口１０７ａおよびセル１００内から酸素を排出するための水素排出口１０７ｂが形成されている。
【００３２】
また、水素極側の電解質膜１０１と触媒層１０２とを接着する接着部材１０５には、第１参照極１０８が設けられ、触媒層１０２のカーボン担持白金触媒１０２ａには、カーボン担体に担持された白金と接触するように第２参照極１０９が設けられている。
【００３３】
第２参照極１０９は、水素と酸素の電気化学反応により生成される水分により水分過剰となりやすい水素排出口１０６ｂ付近に設けられ、第１参照極１０８は乾燥しやすい水素供給口１０６ａ付近に設けられている。
【００３４】
図３は、セル１００の水素極側を拡大した模式図である。図３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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
ところで、水素極の三相界面で分離したプロトンは、水素極側の触媒層１０２のカーボン担持白金触媒１０２ａから電解質膜１０１内へと移動するため、プロトンの移動による電荷移動抵抗Ｒ２が発生する。
【００３８】
この電荷移動抵抗Ｒ２は、各カーボン担持白金触媒１０２ａと電解質膜１０１との間に形成される並列抵抗とみなすことができるため、水素極の三相界面の水分量により変化する。以下、この点について説明する。
【００３９】
図４は、水素極側の触媒層１０２の有効触媒面積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。
【００４０】
一方、電荷移動抵抗Ｒ２は、プロトンが水素極側の触媒層１０２の各カーボン担持白金触媒１０２ａから電解質膜１０１内への移動により発生する抵抗であり、各カーボン担持白金触媒１０２ａと電解質膜１０１との間に形成される並列抵抗とみなすことができる。
【００４１】
電荷移動抵抗Ｒ２は並列抵抗とみなすことができるため、水素極側の触媒層１０２の有効触媒面積Ｓａが大きい場合、プロトンの水素極側の触媒層１０２のカーボン担持白金触媒１０２ａから電解質膜１０１内への移動が増加し、電荷移動抵抗Ｒ２が小さくなる。また、有効触媒面積Ｓａが小さい場合、プロトンの水素極側の触媒層１０２のカーボン担持白金触媒１０２ａから電解質膜１０１内への移動が減少し、電荷移動抵抗Ｒ２が大きくなる。
【００４２】
水素極側の触媒層１０２のカーボン担持白金触媒１０２ａから電解質膜１０１内へのプロトンの移動は、有効触媒面積Ｓａが小さい場合は減少し、大きくなれば増大するため、電荷移動抵抗Ｒ２は、有効触媒面積Ｓａが小さい場合に増大し、有効触媒面積Ｓａが大きい場合に減少する関係となっている。
【００４３】
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荷移動抵抗Ｒ２は、図５に示すように、水素極の水分量によって変化する関係となっている。
【００４４】
具体的に電荷移動抵抗Ｒ２は、水分量が不足する領域（ドライアップ領域）では増大し、水分量が過剰で飽和した飽和領域（フラッディング領域）では減少する。したがって、電荷移動抵抗Ｒ２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。電荷移動抵抗Ｒ２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。
【００４５】
また、本実施形態では、第２参照極１０９を水素と酸素の電気化学反応により生成される水分により水分過剰となりやすい水素排出口１０６ｂ付近に設けることで、第２参照極１０９付近では、プロトンがセル１００の水素極で生成され、電解質膜１０１内を移動しやすい状態となる。そのため、水素排出口１０６ｂに比べて乾燥しやすい水素供給口１０６ａ付近に第１参照極１０８設けることで、第１参照極１０８付近の電荷移動抵抗Ｒ２の変化を検出することができる。
【００４６】
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Ｒ２、電気二重層コンデンサが存在している。
【００４７】
ここで、等価回路に示すように、燃料電池１０のセル１００には、水素極側の触媒層１０２の細孔内で分極が起き、電気二重層が発生するため電気二重層コンデンサＣａが存在する。水素極側の触媒層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。
【００４８】
この等価回路によれば、燃料電池１０のセル１００における内部抵抗には、電解質膜１０１の膜抵抗、反応抵抗等の情報が含まれる。そのため、第１、第２参照極１０８、１０９間を流れる電流と電位差から電荷移動抵抗Ｒ２を算出することで、精度良く水素極の水分状態を判断することができる。
【００４９】
等価回路中の燃料電池１０の水分量と関係する電荷移動抵抗Ｒ２は、主に水素極の三相界面にて発生することから、第１参照極１０８を電解質膜１０１と水素極側の触媒層１０２の間に配置し、第２参照極１０９を水素極側の触媒層１０２に配置する構成とすることで、電荷移動抵抗Ｒ２と他の抵抗とを分離して検出することができる。
【００５０】
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。燃料電池１０に水素および空気が供給開始されることで、燃料電池１０での発電が開始され、燃料電池１０のセル１００内を電流が流れる。
【００５１】
このとき、電流センサ１４で燃料電池１０の出力電流を検出し、セルモニタ１５で各セル１００の第１参照極１０８と第２参照極１０９間の電位差を検出する。制御部５０で、出力電流と第１参照極１０８と第２参照極１０９間の電位差から第１参照極１０８と第２参照極１０９間の抵抗である電荷移動抵抗Ｒ２を算出する（抵抗検出手段）。これにより、燃料電池１０の各セル１００の水素極側の電荷移動抵抗Ｒ２を測定することができる。
【００５２】
この電荷移動抵抗Ｒ２に基づいて燃料電池１０の内部水分量の診断を行う。内部水分量の診断は、電荷移動抵抗Ｒ２と燃料電池１０の内部水分量とが関連付けられた制御マップ（図４参照）を用いて行なわれる（内部水分量診断手段）。
【００５３】
例えば、内部水分量が適正な範囲に対応する電荷移動抵抗の上限値と下限値を予め設定しておき、制御部５０で算出される電荷移動抵抗Ｒ２が上限値を上回っている場合に水分不足と診断し、下限値を下回っている場合に水分過剰と診断することができる。
【００５４】
そして、この診断結果に基づいて、制御部５０で内部水分量の制御を行なう。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。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池１０の出力電流と第１参照極１０８と第２参照極１０９間の電位差を検出し、第１参照極１０８と第２参照極１０９間における電荷移動抵抗Ｒ２を検出することで、各セル１００の水素極の電解質膜１０１、触媒層１０２、水素の三相界面（水素極の三相界面）に存在する水分を得ることができる。その結果、燃料電池１０の電気反応部位における水分量診断の精度の向上を図ることができる。
【００５６】
また、第２参照極１０９を水素と酸素の電気化学反応により生成される水分により水分過剰となりやすい水素排出口１０６ｂ付近に設け、水素排出口１０６ｂに比べて乾燥しやすい水素供給口１０６ａ付近に第１参照極１０８設けることで、第１参照極１０８付近の電荷移動抵抗Ｒ２の変化を検出することができる。
【００５７】
なお、本発明の抵抗検出手段、内部水分量検出手段は、それぞれ制御部５０の処理によって構成されている。
【００５８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７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７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。
【００５９】
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における水素極の水分量が異なっている。
【００６０】
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に第１、第２参照極１０８、１０９を設け、各参照極１０８、１０９をセルモニタ１５に接続し、端部側のセル１００と中央部のセル１００における電荷移動抵抗Ｒ２を測定し、端部側のセル１００と中央部のセル１００の水分量を検出するように構成されている。
【００６１】
これにより、水素極の水分量も異なる端部側のセル１００と中央部のセル１００に水素極の水分量を検出することができる。
【００６２】
（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。
【００６３】
（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。
【００６４】
（２）また、上述の実施形態では、燃料電池１０のセル１００内部の水素極における水分量を計測しているが、セル１００内部における局所部位、例えば冷却水経路４０を介して燃料電池１０内部に供給される冷却水の出入口付近の部位等に分割して、局所部位の水分量を計測してもよい。
【００６５】
（３）また、上述の実施形態では、燃料電池１０の内部水分量診断において温度補正を行なっていないが、温度補正を行なってもよい。温度補正について説明すると、燃料電池１０の温度が高くなると燃料電池１０の内部抵抗は小さくなるため、セル１００の出力電圧は燃料電池１０の温度変化に伴って変化し、燃料電池１０の第１、第２参照極１０８、１０９の電位差は燃料電池１０の温度の影響を受ける。燃料電池温度に対する電位差の変化は、予め実験的に求めてマップ化しておき、電荷移動抵抗Ｒ２を算出する際に、マップに基づいて電位差を補正してもよい。
【００６６】
（４）また、上述の実施形態では、燃料電池１０の内部水分量診断を行なっているが、セルモニタ１５により検出する第１参照極１０８と第２参照極１０９との間の電位差により、水素の供給不足を判断してもよい。例えば、セルモニタ１５で検出する電位が所定の基準電位差よりも大きくなった場合や第１参照極１０８および第２参照極１０９で検出される電位が逆転した値となる場合に、水素の供給不足と判断することができる。なお、所定の基準電位差等は予め実験等により算出しておけばよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【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、電荷移動抵抗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】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】
【００６８】
１０    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
１０８  第１参照極
１０９  第２参照極
【図１】
2009193900.tif 000003
【図２】
2009193900.tif 000004
【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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