JP4810927B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

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、船舶およびポータブル発電機等の移動体用発電機、あるいは家庭用発電機に適用して有効である。

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、水分が不足すると電解質膜が乾燥して電池の出力が低下し、一方、水分が過剰になると電極が水に覆われてガスの透過が阻害され、電池の出力が低下する。したがって、電解質膜の保水状態や電極の濡れ状態を的確に診断して、保水状態や濡れ状態を適正に制御する必要がある。また、反応ガスの供給量が不足した場合も電池の出力が低下するため、反応ガス不足を適確に診断して、反応ガス供給量を適正に制御する必要がある。

ところで、セル内の電流分布と、予め設定した基準電流の許容範囲とを比較し、検出された電流分布が許容範囲を超えた場合に、燃料電池に供給する反応ガスの供給流量および負荷電流の少なくとも一方を制御することで、反応ガスの供給過不足または負荷電流の増減による異常を検知する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２５９９１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、反応ガスの供給過不足および負荷電流の増減のみを診断しているため、燃料電池内の水分の欠乏または過剰による異常を検知することができず、出力低下要因を適確に診断することは不可能である。また、反応ガスの供給過不足による異常の場合でも、負荷電流の増減による異常と誤判定をしてしまう可能性がある。

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池の運転を停止することなく燃料電池発電時の異常要因を的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。

上記目的を達成するため、本発明は、電解質と、電解質の両側にそれぞれ配置された酸化剤極および燃料極と、酸化剤極に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路と、燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路とを有するセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）を備え、酸化剤ガス通路は、互いに平行な複数の酸化剤ガス通路溝（１１３）からなり、酸化剤ガス入口部（１１１）から導入された酸化剤ガスが、複数の酸化剤ガス通路溝（１１３）内を、酸化剤ガス出口部（１１２）に向かって同一方向に流れるレイアウトであり、燃料ガス通路は、酸化剤ガス通路溝（１１３）と平行である複数の燃料ガス通路溝（１２３）からなり、燃料ガス入口部（１２１）から導入された燃料ガスが、複数の燃料ガス通路溝（１２３）内を、酸化剤ガスの流れる方向と反対方向に流れるレイアウトである燃料電池システムであって、セル（１００）の所定部位を流れる局所電流を測定する第１〜第４の局所電流測定手段（Ａ１〜Ａ４）と、第１〜第４の局所電流測定手段（Ａ１〜Ａ４）により測定された局所電流に基づいて燃料電池（１０）内の状態を診断する内部状態診断手段（４０）とを備えており、第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）は、酸化剤ガス通路の上流側かつ燃料ガス通路の下流側に対応する部位における局所電流を測定するように構成されており、第３および第４の局所電流測定手段（Ａ３、Ａ４）は、酸化剤ガス通路の下流側かつ燃料ガス通路の上流側に対応する部位における局所電流を測定するように構成されており、第１の局所電流測定手段（Ａ１）は、燃料ガス通路内における燃料ガスの流速が他の部位よりも遅くなる部位の局所電流を測定するように構成されており、第２の局所電流測定手段（Ａ２）は、第１の局所電流測定手段（Ａ１）と比較して、酸化剤ガス入口部（１１１）からより近く、かつ、天地方向下側の部位の局所電流を測定するように構成されており、第３の局所電流測定手段（Ａ３）は、酸化剤極側の水分が所定量を下回っている場合に酸化剤極側の水分が増加するにつれて局所電流が低下し、かつ、酸化剤極側の水分が所定量以上の場合に酸化剤極側の水分が増加するにつれて局所電流が増加する部位の局所電流を測定するように構成されており、第４の局所電流測定手段（Ａ４）は、第３の局所電流測定手段（Ａ３）と比較して、燃料ガス入口部（１２１）からより近く、かつ、天地方向下側の部位の局所電流を測定するように構成されていることを第１の特徴としている。

このように、第１〜第４の局所電流測定手段（Ａ１〜Ａ４）により局所電流を測定することで、燃料電池（１０）で発生すると考えられる異常（供給ガスの過不足、燃料電池（１０）内部の水分量の過不足）に対して独立して診断することができるため、２種類以上の異常原因が複雑に絡み合って異常運転に至ったとしても、その全ての異常原因を検出することができる。したがって、燃料電池（１０）の運転を停止することなく燃料電池（１０）発電時の異常要因を的確に診断することが可能となる。

また、４カ所の局所電流を測定するだけで、燃料電池（１０）で発生すると考えられる異常に対して独立して診断することができるため、簡易な構成で燃料電池（１０）発電時の異常要因を的確に診断することが可能となる。

具体的には、内部状態診断手段（４０）は、第１〜第４の局所電流測定手段（Ａ１〜Ａ４）により測定された局所電流の同一所定時間当たりの変化量がすべて同符号でない場合に、燃料電池（１０）内部に異常があると推定できる。なお、「変化量がすべて同符号でない」とは、変化量がすべて正もしくはすべて負ではない状態のことをいう。

さらに、内部状態診断手段（４０）は、前記第３の局所電流測定手段（Ａ３）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、前記第４の局所電流測定手段（Ａ４）により測定された局所電流の変化量が０未満の場合に、前記酸化剤極側の水分が過剰である酸化剤極側水分過剰状態と推定できる。

さらに、内部状態診断手段（４０）は、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、第２の局所電流測定手段（Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０未満の場合に、燃料極側の水分が過剰である燃料極側水分過剰状態と推定できる。

さらに、内部状態診断手段（４０）は、第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０未満で、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第２の局所電流測定手段（Ａ２）により測定された局所電流の変化率より小さい場合に、酸化剤極側の水分が不足している酸化剤極側水分不足状態と推定できる。なお、「局所電流の変化率」とは、単位時間あたりの局所電流の変化量の絶対値をいう。

さらに、内部状態診断手段（４０）は、第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０未満、かつ、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第２の局所電流測定手段（Ａ２）により測定された局所電流の変化率より大きく、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第１の所定値より小さい場合に、燃料極に供給される燃料ガスが不足している第１の燃料ガス不足状態と推定できる。

さらに、内部状態診断手段（４０）は、第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０未満、かつ、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第２の局所電流測定手段（Ａ２）により測定された局所電流の変化率より大きく、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第１の所定値より大きく、第１の所定値より大きい第２の所定値より小さい場合に、酸化剤極に供給される酸化剤ガスが過剰である酸化剤ガス過剰状態と推定できる。

さらに、内部状態診断手段（４０）は、第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０未満、かつ、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第２の局所電流測定手段（Ａ２）により測定された局所電流の変化率より大きく、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第２の所定値より大きい場合に、燃料極に供給される燃料ガスが第１の燃料ガス不足状態より不足している第２の燃料ガス不足状態と推定できる。

さらに、内部状態診断手段（４０）は、第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、かつ、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第３の所定値より大きい場合に、燃料極側の水分が不足している燃料極側水分不足状態と推定できる。

さらに、内部状態診断手段（４０）は、第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、かつ、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第３の所定値より小さい第４の所定値より大きく、第３の所定値より小さい場合に、燃料極側に供給される燃料ガスが過剰である燃料ガス過剰状態と推定できる。

さらに、内部状態診断手段（４０）は、第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、かつ、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第４の所定値より小さい第５の所定値より大きく、第４の所定値より小さい場合に、酸化剤極に供給される酸化剤ガスが不足している第１の酸化剤ガス不足状態と推定できる。

さらに、内部状態診断手段（４０）は、第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、かつ、第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第５の所定値より小さい場合に、酸化剤極に供給される酸化剤ガスが第１の酸化剤ガス不足状態より不足している第２の酸化剤ガス不足状態と推定できる
また、本発明は、燃料電池（１０）に対する出力要求値を取得する出力要求値取得手段（４０）と、燃料電池（１０）と並列に接続された２次電池（１１）とを備え、内部状態診断手段（４０）は、局所電流に基づいて燃料電池（１０）内部の状態を推定する際に、負荷を一定にして燃料電池（１０）を運転させ、負荷を一定にして前記燃料電池（１０）を運転させる間に、燃料電池（１０）の出力が出力要求値より不足する場合には、不足分の電力を２次電池から供給し、燃料電池（１０）の出力が出力要求値を超える場合には、余剰分の電力を２次電池に蓄積させることを第２の特徴としている。

これにより、負荷を一定にした状態で局所電流を測定することができるため、燃料電池（１０）発電時の異常要因をより正確に診断することが可能となる。

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。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図１１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。

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、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷１１に相当している。

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。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
そして、各セル毎の出力電圧および出力電流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およびセル電流信号が後述する燃料電池制御部４０に入力されるようになっている。なお、セルモニタ１２が、本発明の発電総電流測定手段に相当している。

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。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素循環流路３０ｂという。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している。

空気供給流路２０ａ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、空気供給流路２０ａ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が設けられている。また、空気排出流路２０ｂには、燃料電池１０内の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。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク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と、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。

水素循環流路３０ｂは、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループに構成されており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素循環流路３０ｂ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３４が設けられている。

燃料電池制御部（ＦＣ−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、燃料電池制御部４０には、セルモニタ１２からのセル電圧信号、空気圧センサ２４からの空気圧信号および後述する電流測定装置５０からの電流信号が入力される。また、燃料電池制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、３３、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３４に制御信号を出力する。なお、燃料電池制御部４０が、本発明の内部状態診断手段に相当している。

図２は本実施形態に係る燃料電池１０の斜視図、図３は図２の燃料電池１０を構成する単セルの斜視図である。図２に示すように、本実施形態の燃料電池１０は、固体高分子電解質膜型燃料電池であり、基本単位となるセル１００が多数積層され、且つ電気的に直列接続されている。

図３に示すように、セル１００は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質・電極接合体）１０１と、このＭＥＡ１０１を挟持する空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０で構成されている。セパレータ１１０、１２０は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。

セパレータ１１０、１２０は、セル１００の内部に、水素、空気をそれぞれ導入するための空気入口部１１１、水素入口部１２１と、セル１００の内部から外部に水素、空気をそれぞれ排出するための空気出口部１１２、水素出口部１２２とが設けられている。

図４は、図２の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。なお、図４は、空気側セパレータ１１０の空気極側の面を示している。図４に示すように、空気側セパレータ１１０は、空気入口部１１１から空気出口部１１２に向かって空気を流すための複数の空気通路溝１１３が、互いに平行に設けられている。

空気入口部１１１と複数の空気通路溝１１３との間には、空気分配部１１４が設けられており、空気入口部１１１から導入された空気が、空気分配部１１４から複数の空気通路溝１１３に分配されるようになっている。また、複数の空気通路溝１１３と空気出口部１１２との間には、空気集合部１１５が設けられており、複数の空気通路溝１１３を流れる空気が、空気集合部１１５で合流して空気出口部１１２に流れるようになっている。

図５は、図２の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。なお、図５は、水素側セパレータ１１０の水素極側の面を示している。図５に示すように、水素側セパレータ１２０は、水素入口部１２１から水素出口部１２２に向かって水素を流すための複数の水素通路溝１２３が、互いに平行に設けられている。

水素入口部１２１と複数の水素通路溝１２３との間には、水素分配部１２４が設けられており、水素入口部１２１から導入された水素が、水素分配部１２４から複数の水素通路溝１２３に分配されるようになっている。また、複数の水素通路溝１２３と水素出口部１２２との間には、水素集合部１２５が設けられており、複数の水素通路溝１２３を流れる水素が、水素集合部１２５で合流して水素出口部１２２に流れるようになっている。

また、図２に示すように、燃料電池１０の各セル１００間には、電流測定装置５０が配置されている。電流測定装置５０は、セル１００の面の各領域における発電電流、すなわち、局所電流を測定するものである。

電流測定装置５０は、例えば、導電対により構成され、隣接する２つのセル１００間の一部（局所電流を測定したい箇所）を電気的に接続するように配置される導電部と、導電部を流れる電流を測定する電流センサにより構成される。なお、本明細書では、導電部と電流センサとを「局所電流センサ」という。

本実施形態では、電流測定装置５０は、図４および図５に示すように、４カ所の局所電流を測定できるように第１〜第４の局所電流センサＡ１〜Ａ４を備えている。なお、第１〜第４の局所電流センサＡ１〜Ａ４が、本発明の第１〜第４の局所電流測定手段にそれぞれ相当している。

電流測定装置５０において第１の局所電流センサＡ１および第２の局所電流センサＡ２は、空気極の空気通路溝１１３の中心より空気流れ上流側（すなわち、水素極の水素通路溝１２３の中心より水素流れ下流側）に配置され、第３の局所電流センサＡ３および第４の局所電流センサＡ４は、空気極の空気通路溝１１３の中心より空気流れ下流側（すなわち、水素極の水素通路溝１２３の中心より水素流れ上流側）に配置されている。

また、第１の局所電流センサＡ１は、供給水素不足時に最も水素が欠乏しやすい部位、換言すると水素出口部１２２からの水素逆流等の影響により最もガス流速が遅くなる部位に配置されている。

また、第２の局所電流センサＡ２は、第１の局所電流センサＡ１と比較して、より空気入口部１１１に近く、かつ、より水分の滞留しやすい部位（天地方向下側の部位）に配置されている。

また、第４の局所電流センサＡ４は、第３の局所電流センサＡ３と比較して、より空気出口部１１２に近く、かつ、より水分の滞留しやすい部位（天地方向下側の部位）に配置されている。

次に、燃料電池１０内部の水分量と、電流測定装置５０の各局所電流センサＡ１〜Ａ４において測定した電流値との関係について説明する。

［空気極側の水分量と局所電流値との関係］
各局所電流センサＡ１〜Ａ４で検出される電流分布は、その燃料電池１０に特有のものであり、空気極側の水分量が変化した場合には図６に示すように変化する。

燃料電池１０の空気極側の水分が減少した場合には、ＭＥＡ１０１の電解質膜における空気入口部１１１に近い部位が乾燥し、プロトン伝導抵抗が増加するため局所電流が低下する。そして、空気極側の水分がさら減少し、水分不足になった場合には、空気入口部１１１により近い部位において乾燥がひどくなり、局所電流がさらに低下する。

逆に、燃料電池１０の空気極側の水分が増加した場合には、空気出口部１１２近傍に液滴が滞留して水分過剰となりガスの透過が阻害されるため、空気出口部１１２近傍の発電量が減少し局所電流が低下する。空気出口部１１２近傍に液滴が滞留する理由としては、空気入口部１１１から空気通路溝１１３を介して空気出口部１１２に水が輸送されることに加え、空気が消費されるため空気出口部１１２近傍では空気流量が低下しており水の排出力が低下していることが挙げられる。そして、空気極側の水分がさらに増加し、水分過剰になった場合には、空気出口部１１２により近い部位の液滴量が増加して、発電量が急激に減少するため、他の部位の局所電流が急激に増加する。

このため、図６に示すように、空気極側の水分が減少した場合は、第１の局所電流センサにより測定される局所電流（以下、Ｉ_Ａ１という）および第２の局所電流センサにより測定される局所電流（以下、Ｉ_Ａ２という）が低下する。さらに空気極側の水分が減少して、水分不足になった場合は、Ｉ_Ａ２がさらに低下する。

また、空気極側の水分が増加した場合は、第３の局所電流センサにより測定される局所電流（以下、Ｉ_Ａ３という）および第４の局所電流センサにより測定される局所電流（以下、Ｉ_Ａ４という）が低下する。さらに空気極側の水分が増加して、水分過剰になった場合は、Ｉ_Ａ４が急激に低下し、Ｉ_Ａ３が急激に増加する。

以上のことから、Ｉ_Ａ１およびＩ_Ａ２を測定することにより空気極側の水分不足状態を診断することが可能であり、Ｉ_Ａ３およびＩ_Ａ４を測定することにより空気極側の水分過剰状態を診断することが可能である。

［水素極側の水分量と局所電流値との関係］
燃料電池１０の水素極側の水分量が変化した場合における各局所電流センサＡ１〜Ａ４で検出される電流分布は、図７に示すように変化する。

燃料電池１０の水素極側の水分が減少し、水分不足になった場合には、ＭＥＡ１０１の電解質膜における水素入口部１２１に近い部位が乾燥し、プロトン伝導抵抗が増加するため発電量が減少し、水素出口部１２２近傍の局所電流は増加する。

逆に、燃料電池１０の水素極側の水分が増加した場合には、水素出口部１２２近傍に液滴が滞留して水分過剰となりガスの透過が阻害されるため、水素出口部１２２近傍の発電量が減少し局所電流が低下する。水素出口部１２２近傍に液滴が滞留する理由としては、水素入口部１２１から水素通路溝１２３を介して水素出口部１２２に水が輸送されることに加え、水素が消費されるため水素出口部１２２近傍では水素流量が低下しており水の排出力が低下していることが挙げられる。そして、水素極側の水分がさらに増加し、水分過剰になった場合には、水素出口部１２２により近い部位の液滴量が増加して、発電量が急激に減少するため、他の部位の局所電流が急激に増加する。

このため、図７に示すように、水素極側の水分が減少し、水分不足になった場合はＩ_Ａ１およびＩ_Ａ２が増加する。

また、水素極側の水分が増加した場合は、Ｉ_Ａ１およびＩ_Ａ２が低下する。さらに水素極側の水分が増加して、水分過剰になった場合は、Ｉ_Ａ２が急激に低下し、Ｉ_Ａ１が急激に増加する。

以上のことから、Ｉ_Ａ１およびＩ_Ａ２を測定することにより水素極側の水分の不足および過剰を診断することが可能である。

次に、燃料電池１０へのガス供給量と、電流測定装置５０の各局所電流センサＡ１〜Ａ４において測定した電流値との関係について説明する。

［空気供給量と局所電流値との関係］
空気供給量が変化した場合における各局所電流センサＡ１〜Ａ４で検出される電流分布は図８に示すように変化する。

空気供給量が減少し、発電量に対して供給空気が不足する場合は、空気出口部１１２近傍から空気不足が発生し酸素濃度が低くなるため、空気出口部１１２近傍で発電量が減少し、空気入口部１１１近傍の局所電流は増加する。

逆に、空気供給量が増加し、発電量に対して供給空気が過剰になる場合は、空気出口部１１２近傍での酸素濃度が高くなるため、空気出口部１１２近傍で発電量が増加する。この結果、空気入口部１１１近傍での局所電流は、供給空気量が増加するに伴って低下する。

このため、図８に示すように、空気供給量が減少し、供給空気が不足した場合は、Ｉ_Ａ１およびＩ_Ａ２が増加する。また、空気供給量が増加し、供給空気が過剰になった場合はＩ_Ａ１およびＩ_Ａ２が低下する。

このことから、Ｉ_Ａ１およびＩ_Ａ２を測定することにより、空気供給量の不足および過剰を診断することが可能である。

［水素供給量と局所電流値との関係］
水素供給量が変化した場合における各局所電流センサＡ１〜Ａ４で検出される電流分布は図９に示すように変化する。

水素供給量が減少する場合には、水素出口部１２２近傍から水素不足が発生し水素濃度が低くなるため、水素出口部１２２近傍で発電量が減少し局所電流が減少する。さらに供給水素が減少する場合には、第１の局所電流センサＡ１が設けられた部位近傍において、水素集合部から逆流する水素と、水素通路溝１２３を流れてくる水素とが干渉することで水素の流速が遅くなり、拡散を阻害するため、局所電流が急激に低下する。

逆に、水素供給量が増加する場合は、水素出口部１２２近傍での酸素濃度が高くなるため、水素出口部１２２近傍で発電量が増加し局所電流が増加する。

このため、図９に示すように、水素供給量が減少し、供給水素が不足した場合（第１の供給水素不足状態）は、Ｉ_Ａ１およびＩ_Ａ２が減少し、さらに水素供給量が減少して第１の供給水素不足状態より水素が不足した場合（第２の供給水素不足状態）は、Ｉ_Ａ１が急激に低下する。また、水素供給量が増加し、供給水素過剰になった場合はＩ_Ａ１およびＩ_Ａ２が増加する。

このことから、Ｉ_Ａ１およびＩ_Ａ２を測定することにより、水素供給量の不足および過剰を診断することが可能である。

また、本明細書中では、各局所電流センサＡ１〜Ａ４で測定される局所電流Ｉ_Ａ１、Ｉ_Ａ２、Ｉ_Ａ３、Ｉ_Ａ４の変化量を、それぞれΔＡ１、ΔＡ２、ΔＡ３、ΔＡ４とする。したがって、Ｉ_Ａ１が増加した場合は、ΔＡ１は０より大きくなり、Ｉ_Ａ１が減少した場合は、ΔＡ１は０未満となる。

ところで、空気極側水分不足状態、第１の供給水素不足状態、第２の供給水素不足状態、供給空気過剰状態には、いずれもＩ_Ａ１およびＩ_Ａ２が低下するため、局所電流の低下要因がいずれであるかを特定する必要がある。

ここで、各局所電流センサＡ１〜Ａ４で測定される局所電流の変化率（以下、電流変化率という）に着目する。なお、本明細書でいう電流変化率とは、単位時間あたりの電流変化量の絶対値であり、図６〜図９におけるグラフの傾きの大きさに相当している。

図６〜図９に示すように、空気極側水分不足状態のみＩ_Ａ１よりＩ_Ａ２が急に減少し、供給空気過剰状態、第１の供給水素不足状態、第２の供給水素不足状態はＩ_Ａ２よりＩ_Ａ１が急に減少する。また、Ｉ_Ａ１を供給空気過剰状態、第１の供給水素不足状態、第２の供給水素不足状態で比較すると、第２の供給水素不足状態が最も急激に低下しており、続いて供給空気過剰状態、第１の供給水素不足状態の順に急に低下している。これらのことから、電流低下が発生する際の電流変化率によって局所電流の低下要因を特定することが可能である。

具体的には、Ｉ_Ａ１の電流変化率（以下、｜ΔＡ１｜という）よりＩ_Ａ２の電流変化率（以下、｜ΔＡ２｜という）が大きい場合、すなわち｜ΔＡ１｜＜｜ΔＡ２｜の場合には空気局側水分不足状態と推定し、｜ΔＡ１｜＞｜ΔＡ２｜の場合には供給空気過剰状態、第１の供給水素不足状態、第２の供給水素不足状態のいずれかであると推定することができる。

さらに、｜ΔＡ１｜＞｜ΔＡ２｜の場合において、｜ΔＡ１｜が第１の所定値未満のときは第１の供給水素不足状態と推定し、｜ΔＡ１｜が第１の所定値以上第２の所定値未満のときは供給空気過剰状態と推定し、｜ΔＡ１｜が第２の所定値以上のときは第２の供給水素不足状態と推定することができる。なお、第１の所定値＜第２の所定値とする。

同様に、水素極側水分不足状態、第１の供給空気不足状態、第２の供給空気不足状態、供給水素過剰状態には、いずれもＩ_Ａ１およびＩ_Ａ２が増加するため、局所電流の増加要因がいずれであるかを特定する必要がある。

図６〜図９に示すように、Ｉ_Ａ１は、第２の供給空気不足状態、第１の供給空気不足状態、供給水素過剰状態、水素極側水分不足状態の順に急に増加している。このことから、電流増加が発生する際の電流変化率によって局所電流の増加要因を特定することが可能である。

具体的には、｜ΔＡ１｜が第３の所定値未満のときは水素極側水分不足状態と推定し、｜ΔＡ１｜が第３の所定値以上第４の所定値未満のときは供給水素過剰状態と推定し、｜ΔＡ１｜が第４の所定値以上第５の所定値未満のときは第１の供給空気不足状態と推定し、｜ΔＡ１｜が第５の所定値以上のときは第２の供給空気不足状態と推定することができる。なお、第３の所定値＜第４の所定値＜第５の所定値とする。

なお、「第１の所定値」は、電流測定装置５０を配置したセル１００の発電総電流Ｉ_ａｌｌに基づいて決まる値で、本実施形態では、Ｉ_ａｌｌ×Ｋ１（Ｋ１は定数）と設定する。同様に、「第２の所定値」はＩ_ａｌｌ×Ｋ２、「第３の所定値」はＩ_ａｌｌ×Ｋ３、「第４の所定値」はＩ_ａｌｌ×Ｋ４、「第５の所定値」はＩ_ａｌｌ×Ｋ５と設定する。なお、Ｋ１＜Ｋ２、Ｋ５＜Ｋ４＜Ｋ３とする。

次に、燃料電池１０の異常運転診断制御について図１０（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。図１０（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における燃料電池システムの制御部４０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートである。

まず、電流測定装置５０を配置したセル１００の発電総電流Ｉ_ａｌｌを計測する（Ｓ１００）。なお、この発電総電流Ｉ_ａｌｌは、燃料電池１０の発電総電流をセル１００の積層枚数で割った値で近似してもよい。

次に、ΔＡ１、ΔＡ２、ΔＡ３、ΔＡ４が同符号か否かを判定する（Ｓ１１０）。

ここで、燃料電池１０の負荷が変化した場合における各局所電流センサＡ１〜Ａ４で検出される電流分布は図１１に示すように変化する。よって、ΔＡ１、ΔＡ２、ΔＡ３、ΔＡ４が同符号である場合は（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、燃料電池１０の負荷が変動した（異常ではない）と診断し（Ｓ１１１）、そのままリターンする。

一方、ΔＡ１、ΔＡ２、ΔＡ３、ΔＡ４が異符号である場合は（Ｓ１１０：ＮＯ）、燃料電池１０内部で異常があると診断し（Ｓ１１２）、ΔＡ３が０より大きく、ΔＡ４が０未満か否かを判定する（Ｓ１２０）。この結果、ΔＡ３が０より大きく、ΔＡ４が０未満である場合には（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、空気極側水分過剰状態と診断し（Ｓ１２１）、空気の加湿量を減少させて（Ｓ１２２）、Ｓ１２０に戻る。

一方、ΔＡ３が０より大きく、ΔＡ４が０未満でない場合には（Ｓ１２０：ＮＯ）、空気極側水分過剰状態でないと診断し、ΔＡ１が０より大きく、ΔＡ２が０未満か否かを判定する（Ｓ１３０）。この結果、ΔＡ１が０より大きく、ΔＡ２が０未満である場合には（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、水素極側水分過剰状態と診断し（Ｓ１３１）、水素の加湿量を減少させて（Ｓ１３２）、Ｓ１３０に戻る。

一方、ΔＡ１が０より大きく、ΔＡ２が０未満でない場合には（Ｓ１３０：ＮＯ）、水素極側水分過剰状態でないと診断し、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ１｜より｜ΔＡ２｜が大きいか否かを判定する（Ｓ１４０）。この結果、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ１｜より｜ΔＡ２｜が大きい場合には（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、空気極側水分不足状態と診断し（Ｓ１４１）、空気の加湿量を増加させて（Ｓ１４２）、Ｓ１４０に戻る。

一方、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ１｜より｜ΔＡ２｜が大きいでない場合は（Ｓ１４０：ＮＯ）、空気極側水分不足状態でないと診断し、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ２｜より｜ΔＡ２｜が大きく、｜ΔＡ１｜が第１の所定値未満であるか否かを判定する（Ｓ１５０）。この結果、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ２｜より｜ΔＡ２｜が大きく、｜ΔＡ１｜が第１の所定値未満である場合は（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、第１の供給水素不足状態と診断し（Ｓ１５１）、供給水素を増加させて（Ｓ１５２）、Ｓ１５０に戻る。

一方、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ２｜より｜ΔＡ２｜が大きく、｜ΔＡ１｜が第１の所定値未満でない場合は（Ｓ１５０：ＮＯ）、第１の供給水素不足状態ではないと診断し、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ２｜より｜ΔＡ２｜が大きく、｜ΔＡ１｜が第１の所定値以上第２の所定値未満であるか否かを判定する（Ｓ１６０）。この結果、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ２｜より｜ΔＡ２｜が大きく、｜ΔＡ１｜が第１の所定値以上第２の所定値未満である場合は（Ｓ１６０：ＹＥＳ）、供給空気過剰状態と診断し（Ｓ１６１）、供給空気を減少させて（Ｓ１６２）、Ｓ１６０に戻る。

一方、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ２｜より｜ΔＡ２｜が大きく、｜ΔＡ１｜が第１の所定値以上第２の所定値未満でない場合は（Ｓ１６０：ＮＯ）、供給空気過剰状態でないと診断し、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ２｜より｜ΔＡ２｜が大きく、｜ΔＡ１｜が第２の所定値以上であるか否かを判定する（Ｓ１７０）。この結果、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ２｜より｜ΔＡ２｜が大きく、｜ΔＡ１｜が第２の所定値以上である場合は（Ｓ１７０：ＹＥＳ）、第２の供給水素不足状態と診断し（Ｓ１７１）、供給水素を急増させて（Ｓ１７２）、Ｓ１７０に戻る。

一方、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０未満かつ｜ΔＡ２｜より｜ΔＡ２｜が大きく、｜ΔＡ１｜が第２の所定値以上でない場合は（Ｓ１７０：ＮＯ）、第２の供給水素不足状態ではないと診断し、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第３の所定値以上であるか否かを判定する（Ｓ１８０）。この結果、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第３の所定値以上である場合は（Ｓ１８０：ＹＥＳ）、水素極側水分不足状態と診断し（Ｓ１８１）、水素の加湿量を増加させて（Ｓ１８２）、Ｓ１８０に戻る。

一方、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第３の所定値以上でない場合は（Ｓ１８０：ＮＯ）、水水素極側水分不足状態でないと診断し、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第４の所定値以上第３の所定値未満であるか否かを判定する（Ｓ１９０）。この結果、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第４の所定値以上第３の所定値未満である場合は（Ｓ１９０：ＹＥＳ）、供給水素過剰状態と診断し（Ｓ１９１）、供給水素を減少させて（Ｓ１９２）、Ｓ１９０に戻る。

一方、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第４の所定値以上第３の所定値未満でない場合は（Ｓ１９０：ＮＯ）、供給水素過剰状態でないと診断し、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第５の所定値以上第４の所定値未満であるか否かを判定する（Ｓ２００）。この結果、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第５の所定値以上第４の所定値未満である場合は（Ｓ２００：ＹＥＳ）、第１の供給空気不足状態と診断し（Ｓ２０１）、供給空気を増加させて（Ｓ２０２）、Ｓ２００に戻る。

一方、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第５の所定値以上第４の所定値未満でない場合は（Ｓ２００：ＮＯ）、第１の供給空気不足状態でないと診断し、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第５の所定値未満であるか否かを判定する（Ｓ２１０）。この結果、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第５の所定値未満である場合は（Ｓ２１０：ＹＥＳ）、第２の供給空気不足状態と診断し（Ｓ２１１）、供給空気を急増させて（Ｓ２１２）、Ｓ２１０に戻る。

一方、ΔＡ１、ΔＡ２ともに０より大きく、かつ｜ΔＡ１｜が第５の所定値未満でない場合は（Ｓ２１０：ＮＯ）、第２の供給空気不足状態でないと診断し、リターンする。

以上説明したように、上記異常運転診断制御には、燃料電池１０で発生すると考えられる異常（供給ガスの過不足、燃料電池内部の水分量の過不足）に対して独立した診断基準があるため、２種類以上の異常原因が複雑に絡み合って異常運転に至ったとしても、その全ての異常原因を検出することができる。したがって、燃料電池１０の運転を停止することなく燃料電池１０発電時の異常要因を的確に診断することが可能となる。さらに、上記異常運転診断制御を行うことによって、異常要因毎に対応し、燃料電池１０の異常状態を解消することが可能となる。

また、４カ所の局所電流および発電総電流を計測・比較するだけで燃料電池１０内部の異常を検出することができるので、予め基準電流の許容範囲等を設定しておく必要がないため、簡易な構成で燃料電池１０発電時の異常要因を的確に診断することが可能となる。

また、上記異常運転診断制御を行うことによって、負荷変動を伴うケースでも燃料電池１０発電時の異常要因を的確に診断することが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、異常運転診断制御のＳ１００において負荷が変動したか否かを検出したが、所定の負荷条件で間欠的に運転し、その間に上記制御をおこなってもよい。上記制御を行っている間に燃料電池１０の発電電力が不足する場合は、図示しない２次電池（例えば、バッテリやキャパシタ）の放電で補い、燃料電池１０の発電電力が過剰になる場合は、２次電池に充電するように構成することができる。これにより、燃料電池１０発電時の異常要因をより正確に診断することが可能となる。

また、上記実施形態では、電気自動車に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、負荷変動のない定置型の燃料電池システムにも適用することができる。

また、上記実施形態では、各局所電流センサＡ１〜Ａ４により測定された局所電流同士および局所電流と発電総電流とを比較することで燃料電池１０内の状態を診断したが、基準電流の許容範囲を予めマップ化して設定しておき、測定された局所電流と基準電流とを比較するようにしてもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。 本実施形態に係る燃料電池１０の斜視図である。 図２の燃料電池１０を構成する単セル１００の斜視図である。 図２の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。 図２の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。 空気への加湿量が変化した場合における各局所電流センサＡ１〜Ａ４で検出される電流分布を示す特性図である。 水素への加湿量が変化した場合における各局所電流センサＡ１〜Ａ４で検出される電流分布を示す特性図である。 空気供給量が変化した場合における各局所電流センサＡ１〜Ａ４で検出される電流分布を示す特性図である。 水素供給量が変化した場合における各局所電流センサＡ１〜Ａ４で検出される電流分布を示す特性図である。 燃料電池システムの制御部４０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートの前半である。 燃料電池システムの制御部４０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートの後半である。 燃料電池１０の負荷が変動した場合における各局所電流センサＡ１〜Ａ４で検出される電流分布を示す特性図である。

符号の説明

１０…燃料電池、４０…燃料電池制御部（内部状態診断手段）、１００…セル、１１１…空気入口部（酸化剤ガス入口部）、１１２…空気出口部（酸化剤ガス出口部）、１１３…空気通路溝（酸化剤ガス通路）、１２１…水素入口部（燃料ガス入口部）、１２３…水素通路溝（燃料ガス通路）、Ａ１…第１の局所電流センサ、Ａ２…第２の局所電流センサ、Ａ３…第３の局所電流センサ、Ａ４…第４の局所電流センサ。

Claims (13)

1. 電解質と、前記電解質の両側にそれぞれ配置された酸化剤極および燃料極と、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路と、前記燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路とを有するセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）を備え、
   前記酸化剤ガス通路は、互いに平行な複数の酸化剤ガス通路溝（１１３）からなり、酸化剤ガス入口部（１１１）から導入された酸化剤ガスが、前記複数の酸化剤ガス通路溝（１１３）内を、酸化剤ガス出口部（１１２）に向かって同一方向に流れるレイアウトであり、
   前記燃料ガス通路は、前記酸化剤ガス通路溝（１１３）と平行である複数の燃料ガス通路溝（１２３）からなり、燃料ガス入口部（１２１）から導入された燃料ガスが、前記複数の燃料ガス通路溝（１２３）内を、前記酸化剤ガスの流れる方向と反対方向に流れるレイアウトである燃料電池システムであって、
   前記セル（１００）の所定部位を流れる局所電流を測定する第１〜第４の局所電流測定手段（Ａ１〜Ａ４）と、
   前記第１〜第４の局所電流測定手段（Ａ１〜Ａ４）により測定された局所電流に基づいて前記燃料電池（１０）内の状態を診断する内部状態診断手段（４０）とを備えており、
   前記第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）は、前記酸化剤ガス通路の上流側かつ前記燃料ガス通路の下流側に対応する部位における局所電流を測定するように構成されており、
   前記第３および第４の局所電流測定手段（Ａ３、Ａ４）は、前記酸化剤ガス通路の下流側かつ前記燃料ガス通路の上流側に対応する部位における局所電流を測定するように構成されており、
   前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）は、前記燃料ガス通路内における燃料ガスの流速が他の部位よりも遅くなる部位の局所電流を測定するように構成されており、
   前記第２の局所電流測定手段（Ａ２）は、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）と比較して、前記酸化剤ガス入口部（１１１）からより近く、かつ、天地方向下側の部位の局所電流を測定するように構成されており、
   前記第３の局所電流測定手段（Ａ３）は、前記酸化剤極側の水分が所定量を下回っている場合に前記酸化剤極側の水分が増加するにつれて局所電流が低下し、かつ、前記酸化剤極側の水分が前記所定量以上の場合に前記酸化剤極側の水分が増加するにつれて局所電流が増加する部位の局所電流を測定するように構成されており、
   前記第４の局所電流測定手段（Ａ４）は、前記第３の局所電流測定手段（Ａ３）と比較して、前記燃料ガス入口部（１２１）からより近く、かつ、天地方向下側の部位の局所電流を測定するように構成されており、
   前記内部状態診断手段（４０）は、前記第１〜第４の局所電流測定手段（Ａ１〜Ａ４）により測定された局所電流の同一の所定時間あたりの変化量がすべて同符号でない場合に、前記燃料電池（１０）内部に異常があると推定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記内部状態診断手段（４０）は、前記第３の局所電流測定手段（Ａ３）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、前記第４の局所電流測定手段（Ａ４）により測定された局所電流の変化量が０未満の場合に、前記酸化剤極側の水分が過剰である酸化剤極側水分過剰状態と推定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。
3. 前記内部状態診断手段（４０）は、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、前記第２の局所電流測定手段（Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０未満の場合に、前記燃料極側の水分が過剰である燃料極側水分過剰状態と推定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。
4. 前記内部状態診断手段（４０）は、前記第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０未満で、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が前記第２の局所電流測定手段（Ａ２）により測定された局所電流の変化率より小さい場合に、前記酸化剤極側の水分が不足している酸化剤極側水分不足状態と推定する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。
5. 前記内部状態診断手段（４０）は、前記第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０未満の場合に、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が前記第２の局所電流測定手段（Ａ２）により測定された局所電流の変化率より大きく、かつ、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第１の所定値より小さい場合に、前記燃料極に供給される燃料ガスが不足している第１の燃料ガス不足状態と推定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。
6. 前記内部状態診断手段（４０）は、前記第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０未満の場合に、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が前記第２の局所電流測定手段（Ａ２）により測定された局所電流の変化率より大きく、かつ、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が前記第１の所定値より大きく、前記第１の所定値より大きい第２の所定値より小さい場合に、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスが過剰である酸化剤ガス過剰状態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。
7. 前記内部状態診断手段（４０）は、前記第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０未満の場合に、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が前記第２の局所電流測定手段（Ａ２）により測定された局所電流の変化率より大きく、かつ、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が前記第２の所定値より大きい場合に、前記燃料極に供給される燃料ガスが前記第１の燃料ガス不足状態より不足している第２の燃料ガス不足状態と推定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記内部状態診断手段（４０）は、前記第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、かつ、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が第３の所定値より大きい場合に、前記燃料極側の水分が不足している燃料極側水分不足状態と推定することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記内部状態診断手段（４０）は、前記第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、かつ、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が前記第３の所定値より小さい第４の所定値より大きく、前記第３の所定値より小さい場合に、前記燃料極側に供給される燃料ガスが過剰である燃料ガス過剰状態と推定することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記内部状態診断手段（４０）は、前記第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、かつ、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が前記第４の所定値より小さい第５の所定値より大きく、前記第４の所定値より小さい場合に、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスが不足している第１の酸化剤ガス不足状態と推定することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記内部状態診断手段（４０）は、前記第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）により測定された局所電流の変化量が０より大きく、かつ、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）により測定された局所電流の変化率が前記第５の所定値より小さい場合に、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスが前記第１の酸化剤ガス不足状態より不足している第２の酸化剤ガス不足状態と推定することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料電池（１０）に対する出力要求値を取得する出力要求値取得手段（４０）と、
    前記燃料電池（１０）と並列に接続された２次電池（１１）とを備え、
    前記内部状態診断手段（４０）は、前記局所電流に基づいて前記燃料電池（１０）内部の状態を推定する際に、負荷を一定にして前記燃料電池（１０）を運転させ、前記負荷を一定にして前記燃料電池（１０）を運転させる間に、前記燃料電池（１０）の出力が前記出力要求値より不足する場合には、不足分の電力を前記２次電池から供給し、前記燃料電池（１０）の出力が前記出力要求値を超える場合には、余剰分の電力を前記２次電池に蓄積させることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
13. 電解質と、前記電解質の両側にそれぞれ配置された酸化剤極および燃料極と、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路と、前記燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路とを有するセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）を備え、
    前記酸化剤ガス通路は、互いに平行な複数の酸化剤ガス通路溝（１１３）からなり、酸化剤ガス入口部（１１１）から導入された酸化剤ガスが、前記複数の酸化剤ガス通路溝（１１３）内を、酸化剤ガス出口部（１１２）に向かって同一方向に流れるレイアウトであり、
    前記燃料ガス通路は、前記酸化剤ガス通路溝（１１３）と平行である複数の燃料ガス通路溝（１２３）からなり、燃料ガス入口部（１２１）から導入された燃料ガスが、前記複数の燃料ガス通路溝（１２３）内を、前記酸化剤ガスの流れる方向と反対方向に流れるレイアウトである燃料電池システムであって、
    前記セル（１００）の所定部位を流れる局所電流を測定する第１〜第４の局所電流測定手段（Ａ１〜Ａ４）と、
    前記第１〜第４の局所電流測定手段（Ａ１〜Ａ４）により測定された局所電流に基づいて前記燃料電池（１０）内の状態を診断する内部状態診断手段（４０）とを備えており、
    前記第１および第２の局所電流測定手段（Ａ１、Ａ２）は、前記酸化剤ガス通路の上流側かつ前記燃料ガス通路の下流側に対応する部位における局所電流を測定するように構成されており、
    前記第３および第４の局所電流測定手段（Ａ３、Ａ４）は、前記酸化剤ガス通路の下流側かつ前記燃料ガス通路の上流側に対応する部位における局所電流を測定するように構成されており、
    前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）は、前記燃料ガス通路内における燃料ガスの流速が他の部位よりも遅くなる部位の局所電流を測定するように構成されており、
    前記第２の局所電流測定手段（Ａ２）は、前記第１の局所電流測定手段（Ａ１）と比較して、前記酸化剤ガス入口部（１１１）からより近く、かつ、天地方向下側の部位の局所電流を測定するように構成されており、
    前記第３の局所電流測定手段（Ａ３）は、前記酸化剤極側の水分が所定量を下回っている場合に前記酸化剤極側の水分が増加するにつれて局所電流が低下し、かつ、前記酸化剤極側の水分が前記所定量以上の場合に前記酸化剤極側の水分が増加するにつれて局所電流が増加する部位の局所電流を測定するように構成されており、
    前記第４の局所電流測定手段（Ａ４）は、前記第３の局所電流測定手段（Ａ３）と比較して、前記燃料ガス入口部（１２１）からより近く、かつ、天地方向下側の部位の局所電流を測定するように構成されており、
    前記燃料電池（１０）に対する出力要求値を取得する出力要求値取得手段（４０）と、
    前記燃料電池（１０）と並列に接続された２次電池（１１）とを備え、
    前記内部状態診断手段（４０）は、前記局所電流に基づいて前記燃料電池（１０）内部の状態を推定する際に、負荷を一定にして前記燃料電池（１０）を運転させ、前記負荷を一定にして前記燃料電池（１０）を運転させる間に、前記燃料電池（１０）の出力が前記出力要求値より不足する場合には、不足分の電力を前記２次電池（１１）から供給し、前記燃料電池（１０）の出力が前記出力要求値を超える場合には、余剰分の電力を前記２次電池（１１）に蓄積させることを特徴とする燃料電池システム。

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