特許 5810992 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5810992

(24)【登録日】2015年10月2日

(45)【発行日】2015年11月11日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20060101AFI20151022BHJP

   H01M 8/10 20060101ALN20151022BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/04 J

   H01M8/04 A

   !H01M8/10

【請求項の数】8

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2012-60639(P2012-60639)

(22)【出願日】2012年3月16日

(65)【公開番号】特開2012-212665(P2012-212665A)

(43)【公開日】2012年11月1日

【審査請求日】2014年5月8日

(31)【優先権主張番号】特願2011-61074(P2011-61074)

(32)【優先日】2011年3月18日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社日本自動車部品総合研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】特許業務法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】加藤 育康

(72)【発明者】

【氏名】岡宮 稔

(72)【発明者】

【氏名】坂口 信也

(72)【発明者】

【氏名】坂上 祐一

(72)【発明者】

【氏名】末松 啓吾

【審査官】 前原 義明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０４８５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３８６８９８９（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００１−１６７７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１９３８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２０９４５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５９１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１２０４１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０９５３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４８９４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１０８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２４５６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０３３４１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）を備え、前記燃料電池（１）に対して前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（２０）に前記燃料電池（１）から排出された燃料オフガスを戻すための燃料オフガス循環流路（２２）が接続された燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池（１）の内部に設けられて前記複数の単位セル（１０）それぞれに前記燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールド（１６）と、
前記燃料電池（１）の内部に設けられて前記複数の単位セル（１０）それぞれから排出された前記燃料オフガスを集合させる燃料ガス排出マニホールド（１７）と、
前記燃料ガス排出マニホールド（１７）の内部、または、前記単位セル（１０）における燃料ガス流路（１５ａ）の出口部に配置されて前記燃料オフガスにおける水素濃度を検知する複数の水素濃度センサ（１８１）を有し、前記複数の水素濃度センサ（１８１）の検出値の変化を前記水素濃度の分布として検出する水素濃度検出手段（１８）と、
前記複数の水素濃度センサ（１８１）の検出値に対応する前記燃料ガス排出マニホールド（１７）における水素濃度の分布に基づいて、前記燃料電池（１）の内部における水素欠乏状態が、前記複数の単位セル（１０）の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏、および前記複数の単位セル（１０）の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏を診断する水素欠乏状態診断手段（１００ａ）と、を備え、
前記水素欠乏状態診断手段（１００ａ）は、
前記複数の水素濃度センサ（１８１）の検出値の平均値（Ｓａｖｇ）が予め定められた平均基準濃度（Ｙ１）以下である場合に、前記複数の単位セル（１０）の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏であると判定し、
前記複数の水素濃度センサ（１８１）の検出値の平均値（Ｓａｖｇ）が前記平均基準濃度（Ｙ１）より高く、かつ、前記複数の水素濃度センサ（１８１）の検出値の少なくとも１つが所定の部分基準濃度（Ｙ２）以下である場合に、前記複数の単位セル（１０）の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏であると判定することを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記部分基準濃度（Ｙ２）は、前記燃料ガス排出マニホールド（１７）における燃料オフガス流れの上流側から下流側に向かって高くなるように設定さ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】

酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）を備え、前記燃料電池（１）に対して前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（２０）に前記燃料電池（１）から排出された燃料オフガスを戻すための燃料オフガス循環流路（２２）が接続された燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池（１）の内部に設けられて前記複数の単位セル（１０）それぞれに前記燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールド（１６）と、
前記燃料電池（１）の内部に設けられて前記複数の単位セル（１０）それぞれから排出された前記燃料オフガスを集合させる燃料ガス排出マニホールド（１７）と、
前記燃料ガス排出マニホールド（１７）の内部、または、前記単位セル（１０）における燃料ガス流路（１５ａ）の出口部に配置されて前記燃料オフガスにおける水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する複数の濃度反応素子（１８２）を有する水素濃度検出手段（１８）と、
前記複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値に対応する前記燃料ガス排出マニホールド（１７）における水素濃度の分布に基づいて、前記燃料電池（１）の内部における水素欠乏状態が、前記複数の単位セル（１０）の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏、および前記複数の単位セル（１０）の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏を診断する水素欠乏状態診断手段（１００ａ）と、を備え、
前記複数の濃度反応素子（１８２）は、電気的に直列接続された直列接続体を構成し、
前記水素濃度検出手段（１８）は、前記直列接続体における抵抗値の変化を前記水素濃度の分布として検出することを特徴とする燃料電池システム。

【請求項4】

前記水素欠乏状態診断手段（１００ａ）は、
前記複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値の合算値（Ｒ）が予め定められた第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）より大きく、かつ、前記第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）よりも大きい値に設定された第２基準閾値（Ｒｒｅｆ２）より大きい場合に、前記複数の単位セル（１０）の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏であると判定し、
前記複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値の合算値（Ｒ）が前記第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）より大きく、かつ、前記第２基準閾値（Ｒｒｅｆ２）以下である場合に、前記複数の単位セル（１０）の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏であると判定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）を備え、前記燃料電池（１）に対して前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（２０）に前記燃料電池（１）から排出された燃料オフガスを戻すための燃料オフガス循環流路（２２）が接続された燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池（１）の内部に設けられて前記複数の単位セル（１０）それぞれに前記燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールド（１６）と、
前記燃料電池（１）の内部に設けられて前記複数の単位セル（１０）それぞれから排出された前記燃料オフガスを集合させる燃料ガス排出マニホールド（１７）と、
前記燃料ガス排出マニホールド（１７）の内部、または、前記単位セル（１０）における燃料ガス流路（１５ａ）の出口部に配置されて前記燃料オフガスにおける水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する複数の濃度反応素子（１８２）を有し、前記複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値の変化を水素濃度の分布として検出する水素濃度検出手段（１８）と、
前記複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値に対応する前記燃料ガス排出マニホールド（１７）における水素濃度の分布に基づいて、前記燃料電池（１）の内部における水素欠乏状態が、前記複数の単位セル（１０）の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏、および前記複数の単位セル（１０）の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏を診断する水素欠乏状態診断手段（１００ａ）と、を備え、
前記水素欠乏状態診断手段（１００ａ）は、
前記複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値の合算値（Ｒ）が予め定められた第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）より大きく、かつ、前記第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）よりも大きい値に設定された第２基準閾値（Ｒｒｅｆ２）より大きい場合に、前記複数の単位セル（１０）の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏であると判定し、
前記複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値の合算値（Ｒ）が前記第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）より大きく、かつ、前記第２基準閾値（Ｒｒｅｆ２）以下である場合に、前記複数の単位セル（１０）の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏であると判定することを特徴とする燃料電池システム。

【請求項6】

前記燃料オフガス循環流路（２２）から分岐されて前記燃料オフガスを外部に排出するための燃料オフガス排出流路（２１）と、
前記燃料オフガス排出流路（２１）に設けられ、前記燃料オフガスを外部に排出する燃料オフガス排出手段（２６）と、
前記燃料オフガス排出手段（２６）の作動を制御する燃料オフガス排出制御手段（１００ｂ）と、を備え、
前記燃料オフガス排出制御手段（１００ｂ）は、前記水素欠乏状態診断手段（１００ａ）にて前記全体欠乏と判定された場合に、前記燃料オフガス排出流路（２１）を介して前記燃料オフガスを外部に排出するように前記燃料オフガス排出手段（２６）を制御することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記燃料オフガス循環流路（２２）に設けられ、前記燃料ガス供給流路（２０）に前記燃料オフガスを戻す燃料オフガス循環手段（２７）と、
前記燃料オフガス循環手段（２７）の作動を制御する燃料オフガス循環制御手段（１００ｃ）と、を備え、
前記燃料オフガス循環制御手段（１００ｃ）は、前記水素欠乏状態診断手段（１００ａ）にて前記部分欠乏と判定された場合に、前記燃料ガス供給流路（２０）に戻す前記燃料オフガスの循環量が増大するように前記燃料オフガス循環手段（２７）を制御することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記燃料ガス供給流路（２０）に設けられ、前記燃料ガス供給マニホールド（１６）への前記燃料ガスの供給圧力を調整する燃料ガス供給圧力調整手段（２５）と、
前記燃料ガス供給圧力調整手段（２５）の作動を制御する燃料ガス供給圧力制御手段（１００ｄ）と、を備え、
前記燃料ガス供給圧力制御手段（１００ｄ）は、前記水素欠乏状態診断手段（１００ａ）にて前記部分欠乏と判定された場合に、前記燃料ガス供給マニホールド（１６）に供給する前記燃料ガスの供給圧力が増大するように前記燃料ガス供給圧力調整手段（２５）を制御することを特徴とする請求項１ないし６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】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、単位セルが複数積層された燃料電池を備える燃料電池システムでは、水素を主成分とする燃料ガスを燃料電池内部の供給マニホールドを介して、各単位セルに供給する構成が採用されている。

【0003】

ここで、燃料電池において、燃料ガス中の水素濃度が低下すると、燃料電池における発電効率が低下して、充分に電力を出力することができなくなる。特に、燃料電池において部分的な水素欠乏が生ずると、水素濃度が低下した部位において燃料電池内の触媒が劣化し、燃料電池の耐久性に深刻な影響を及ぼすといった問題があり、燃料電池内部の水素濃度を適切に調整することが重要となっている。

【0004】

これに対して、燃料電池の単位セルの発電面に対応して配置された複数の電流センサの計測値（電流密度）に基づいて、燃料電池における水素欠乏が生ずる部位を特定し、特定した部位に応じて水素濃度を調整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）。

【0005】

この特許文献１では、燃料電池の単位セルの発電面に対向する燃料ガス流路の末端側部位、および末端側部位よりも上流側部位に電流センサを配置し、各部位における電流密度の変化を測定する構成としている。

【0006】

そして、燃料ガス流路の末端側部位における電流密度が低下した場合、燃料電池に対する燃料ガスの供給不足により、カソード側から透過した窒素等の不純物が燃料ガス流路の末端側部位に蓄積されて水素濃度が低下することが要因と考えられるので、燃料電池の排出マニホールドを介して燃料電池内部の燃料ガスおよび不純物を排出し、供給マニホールドを介して新たに燃料ガスを供給するようにしている。

【0007】

一方、燃料ガス流路の上流側部位における電流密度が低下した場合、燃料ガス流路の一部に燃料ガスが淀み易い部位が存することで、排出マニホールド側からの燃料ガスの逆流等が生じて水素濃度が低下することが要因と考えられるので、燃料ガスの供給圧力を上昇させて、燃料電池内部への燃料ガスの供給量を増加させるようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００９−９３８９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ところで、燃料電池から排出される燃料オフガスには、未反応水素が含まれるため、燃料オフガスを、循環流路を介して再び供給マニホールドに戻して各単位セルに分配させることで、燃料オフガスを有効利用する燃料循環方式の燃料電池システムがある。

【0010】

この燃料循環方式の燃料電池システムでは、燃料オフガスの循環を継続すると、カソード側から透過した窒素等の不純物が増加するため、燃料オフガス中の水素濃度が低下して水素欠乏が生じ易いといった特徴がある。

【0011】

そして、燃料循環方式の燃料電池システムにおける水素欠乏には、燃料ガスの供給不足により燃料電池全体に生ずる全体欠乏、および各単位セル内部の圧力損失等に起因する燃料ガスの分配不良によって燃料電池の一部の単位セルに生ずる部分欠乏が存在する。

【0012】

これら全体欠乏および部分欠乏は、それぞれ発生要因が異なるため、水素欠乏が全体欠乏なのか、部分欠乏なのかを判別し、当該判別結果に応じて水素濃度を調整することが必要となる。

【0013】

ここで、特許文献１の燃料電池システムを燃料循環方式に適用することが考えられるが、以下の理由から採用することができない。すなわち、燃料循環方式の燃料電池システムでは、燃料オフガスにカソード側から透過した窒素等が含まれ、燃料循環方式を採用しない場合に比べて、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量が多いといった特徴がある。

【0014】

このため、燃料ガス流路の一部に燃料ガスが淀み易い部位が存したとしても、燃料ガスが燃料ガス流路を流れるので、排出マニホールド側からの燃料ガスの逆流等が生じ難く、燃料ガス流路の上流側部位にて水素濃度が低下する可能性が低い。

【0015】

従って、特許文献１の燃料電池システムを燃料循環方式に適用しても、水素欠乏状態を判別することができず、燃料電池内部の水素濃度を適切に調整することができない。

【0016】

本発明は上記点に鑑みて、燃料循環方式に適用した場合において、水素欠乏状態が全体欠乏なのか、部分欠乏なのかを判別可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

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剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）を備え、燃料電池（１）に対して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（２０）に燃料電池（１）から排出された燃料オフガスを戻すための燃料オフガス循環流路（２２）が接続された燃料電池システムを対象としている。

【0018】

そして、請求項１に記載の発明では、燃料電池（１）の内部に設けられて複数の単位セル（１０）それぞれに燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールド（１６）と、燃料電池（１）の内部に設けられて複数の単位セル（１０）それぞれから排出された燃料オフガスを集合させる燃料ガス排出マニホールド（１７）と、燃料ガス排出マニホールド（１７）の内部、または、単位セル（１０）における燃料ガス流路（１５ａ）の出口部に配置されて燃料オフガスにおける水素濃度を検知する複数の水素濃度センサ（１８１）を有し、複数の水素濃度センサ（１８１）の検出値の変化を水素濃度の分布として検出する水素濃度検出手段（１８）と、複数の水素濃度センサ（１８１）の検出値に対応する燃料ガス排出マニホールド（１７）における水素濃度の分布に基づいて、燃料電池（１）の内部における水素欠乏状態が、複数の単位セル（１０）の全てで水素が欠乏した全体欠乏、および複数の単位セル（１０）の一部で水素が欠乏した部分欠乏を診断する水素欠乏状態診断手段（１００ａ）と、を備え、
水素欠乏状態診断手段（１００ａ）は、
複数の水素濃度センサ（１８１）の検出値の平均値（Ｓａｖｇ）が予め定められた平均基準濃度（Ｙ１）以下である場合に、複数の単位セル（１０）の全てで水素が欠乏した全体欠乏であると判定し、
複数の水素濃度センサ（１８１）の検出値の平均値（Ｓａｖｇ）が平均基準濃度（Ｙ１）より高く、かつ、複数の水素濃度センサ（１８１）の検出値の少なくとも１つが所定の部分基準濃度（Ｙ２）以下である場合に、複数の単位セル（１０）の一部で水素が欠乏した部分欠乏であると判定することを特徴とする。

【0019】

このように、燃料ガス排出マニホールド（１７）、または、単位セル（１０）における燃料ガス流路（１５ａ）の出口部に、水素濃度検出手段（１８）を構成する複数の水素濃度センサ（１８１）を配置し、各水素濃度センサ（１８１）の検出値から燃料ガス排出マニホールド（１７）における水素濃度の分布を検出することで、水素欠乏が全体欠乏なのか、部分欠乏なのかを判別することができる。この結果、水素欠乏状態に応じて燃料電池内部の水素濃度を適切に調整することが可能となる。

【0022】

ところで、燃料ガス排出マニホールド（１７）における燃料オフガス流れの下流側には、燃料オフガス流れの下流側に対応する単位セル（１０）から排出された燃料オフガスに加えて、上流側に対応する単位セル（１０）から排出された燃料オフガスも流れる。このため、燃料ガス排出マニホールド（１７）を流れる水素濃度が燃料ガス流れの上流側から下流側に向かって高くなる傾向がある。

【0023】

そこで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、部分基準濃度（Ｙ２）は、燃料ガス排出マニホールド（１７）における燃料オフガス流れの上流側から下流側に向かって高くなるように設定されていることを特徴とする。これによれば、水素欠乏の部分欠乏を適切に判別することができる。

【0024】

また、請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の発明と同様に、酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）を備え、燃料電池（１）に対して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（２０）に燃料電池（１）から排出された燃料オフガスを戻すための燃料オフガス循環流路（２２）が接続された燃料電池システムを対象としている。
そして、請求項３に記載の発明では、燃料電池（１）の内部に設けられて複数の単位セル（１０）それぞれに燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールド（１６）と、燃料電池（１）の内部に設けられて複数の単位セル（１０）それぞれから排出された燃料オフガスを集合させる燃料ガス排出マニホールド（１７）と、燃料ガス排出マニホールド（１７）の内部、または、単位セル（１０）における燃料ガス流路（１５ａ）の出口部に配置されて燃料オフガスにおける水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する複数の濃度反応素子（１８２）を有する水素濃度検出手段（１８）と、
複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値に対応する燃料ガス排出マニホールド（１７）における水素濃度の分布に基づいて、燃料電池（１）の内部における水素欠乏状態が、複数の単位セル（１０）の全てで水素が欠乏した全体欠乏、および複数の単位セル（１０）の一部で水素が欠乏した部分欠乏を診断する水素欠乏状態診断手段（１００ａ）と、を備え、
複数の濃度反応素子（１８２）は、電気的に直列接続された直列接続体を構成し、水素濃度検出手段（１８）は、直列接続体における抵抗値の変化を前記水素濃度の分布として検出することを特徴とする。
これによれば、燃料ガス排出マニホールド（１７）、または、単位セル（１０）における燃料ガス流路（１５ａ）の出口部に、水素濃度検出手段（１８）を構成する複数の濃度反応素子（１８２）を配置し、各濃度反応素子（１８２）の抵抗値から燃料ガス排出マニホールド（１７）における水素濃度の分布を検出することで、水素欠乏が全体欠乏なのか、部分欠乏なのかを判別することができる。この結果、水素欠乏状態に応じて燃料電池内部の水素濃度を適切に調整することが可能となる。

【0025】

さらに、請求項３に記載の発明では、水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する複数の濃度反応素子（１８２）は、電気的に直列接続された直列接続体を構成し、水素濃度検出手段（１８）は、直列接続体における抵抗値の変化を水素濃度の分布として検出するから、簡易な構成の水素濃度検出手段にて、燃料ガス排出マニホールド（１７）における水素濃度の分布を検出することが可能となる。

【0026】

この場合、請求項４に記載の発明の如く、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、水素欠乏状態診断手段（１００ａ）は、複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値の合算値（Ｒ）が予め定められた第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）より大きく、かつ、第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）よりも大きい値に設定された第２基準閾値（Ｒｒｅｆ２）より大きい場合に、複数の単位セル（１０）の全てで水素が欠乏した全体欠乏であると判定し、複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値の合算値（Ｒ）が第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）より大きく、かつ、第２基準閾値（Ｒｒｅｆ２）以下である場合に、複数の単位セル（１０）の一部で水素が欠乏した部分欠乏であると判定するようにしてもよい。
また、請求項５に記載の発明では、請求項１、３に記載の発明と同様に、酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）を備え、燃料電池（１）に対して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（２０）に燃料電池（１）から排出された燃料オフガスを戻すための燃料オフガス循環流路（２２）が接続された燃料電池システムを対象としている。
そして、請求項５に記載の発明では、燃料電池（１）の内部に設けられて複数の単位セル（１０）それぞれに燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールド（１６）と、燃料電池（１）の内部に設けられて複数の単位セル（１０）それぞれから排出された燃料オフガスを集合させる燃料ガス排出マニホールド（１７）と、燃料ガス排出マニホールド（１７）の内部、または、単位セル（１０）における燃料ガス流路（１５ａ）の出口部に配置されて燃料オフガスにおける水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する濃度反応素子（１８２）を有し、複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値の変化を水素濃度の分布として検出する水素濃度検出手段（１８）と、
複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値に対応する燃料ガス排出マニホールド（１７）における水素濃度の分布に基づいて、燃料電池（１）の内部における水素欠乏状態が、複数の単位セル（１０）の全てで水素が欠乏した全体欠乏、および複数の単位セル（１０）の一部で水素が欠乏した部分欠乏を診断する水素欠乏状態診断手段（１００ａ）と、を備え、
水素欠乏状態診断手段（１００ａ）は、複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値の合算値（Ｒ）が予め定められた第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）より大きく、かつ、第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）よりも大きい値に設定された第２基準閾値（Ｒｒｅｆ２）より大きい場合に、複数の単位セル（１０）の全てで水素が欠乏した全体欠乏であると判定し、複数の濃度反応素子（１８２）の抵抗値の合算値（Ｒ）が第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）より大きく、かつ、第２基準閾値（Ｒｒｅｆ２）以下である場合に、複数の単位セル（１０）の一部で水素が欠乏した部分欠乏であると判定することを特徴とする。
これによれば、燃料ガス排出マニホールド（１７）、または、単位セル（１０）における燃料ガス流路（１５ａ）の出口部に、水素濃度検出手段（１８）を構成する複数の濃度反応素子（１８２）を配置し、各濃度反応素子（１８２）の抵抗値変化から燃料ガス排出マニホールド（１７）における水素濃度の分布を検出し、各濃度反応素子（１８２）の抵抗値の合算値（Ｒ）を第１基準閾値（Ｒｒｅｆ１）および第２基準閾値（Ｒｒｅｆ２）と比較することで、水素欠乏が全体欠乏なのか、部分欠乏なのかを判別することができる。この結果、水素欠乏状態に応じて燃料電池内部の水素濃度を適切に調整することが可能となる。
しかも、請求項５に記載の発明によれば、水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する濃度反応素子（１８２）を用いて、水素濃度検出手段（１８）の構成を簡素化することができる。

【0027】

また、請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、燃料オフガス循環流路（２２）から分岐されて燃料オフガスを外部に排出するための燃料オフガス排出流路（２１）と、燃料オフガス排出流路（２１）に設けられ、燃料オフガスを外部に排出する燃料オフガス排出手段（２６）と、燃料オフガス排出手段（２６）の作動を制御する燃料オフガス排出制御手段（１００ｂ）と、を備え、燃料オフガス排出制御手段（１００ｂ）は、水素欠乏状態診断手段（１００ａ）にて全体欠乏と判定された場合に、燃料オフガス排出流路（２１）を介して燃料オフガスを外部に排出するように燃料オフガス排出手段（２６）を制御することを特徴とする。

【0028】

このように、水素欠乏状態が全体欠乏と診断された場合、システム外部へ燃料オフガスを排出することで、燃料オフガスに含まれる多量の不純物を適切に排出し、水素欠乏を解消することができる。この結果、燃料電池（１）における耐久性の悪化を抑制することができる。これに加え、燃料オフガス排出流路（２２）に存する燃料オフガスは、水素濃度が低いので、燃費の悪化を抑制しつつ安全にシステム外部に排出することができる。

【0029】

また、請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、燃料オフガス循環流路（２２）に設けられ、燃料ガス供給流路（２０）に燃料オフガスを戻す燃料オフガス循環手段（２７）と、燃料オフガス循環手段（２７）の作動を制御する燃料オフガス循環制御手段（１００ｃ）と、を備え、燃料オフガス循環制御手段（１００ｃ）は、水素欠乏状態診断手段（１００ａ）にて部分欠乏と判定された場合に、燃料ガス供給流路（２０）に戻す燃料オフガスの循環量が増大するように燃料オフガス循環手段（２７）を制御することを特徴とする。

【0030】

このように、水素欠乏状態が部分欠乏と診断された場合、燃料オフガスの循環量を増大させることで、各単位セル（１０）への燃料ガスの供給量を増加させることができ、燃料ガスの分配不良による水素欠乏を解消することができる。この際、燃料オフガスを有効利用するので、燃費の悪化を抑制しつつ、水素欠乏を解消することができる。

【0031】

また、請求項８に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給流路（２０）に設けられ、燃料ガス供給マニホールド（１６）への燃料ガスの供給圧力を調整する燃料ガス供給圧力調整手段（２５）と、燃料ガス供給圧力調整手段（２５）の作動を制御する燃料ガス供給圧力制御手段（１００ｄ）と、を備え、燃料ガス供給圧力制御手段（１００ｄ）は、水素欠乏状態診断手段（１００ａ）にて部分欠乏と判定された場合に、燃料ガス供給マニホールド（１６）に供給する燃料ガスの供給圧力が増大するように燃料ガス供給圧力調整手段（２５）を制御することを特徴とする。

【0032】

このように、水素欠乏状態が部分欠乏と診断された場合、燃料ガスの供給圧力を増大させることで、各単位セル（１０）への燃料ガスの供給量を増加させることができ、燃料ガスの分配不良による水素欠乏を解消することができる。

【0033】

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。

【図2】第１実施形態に係る単位セルの要部の断面図である。

【図3】第１実施形態に係る水素濃度検出装置の検知部の配置形態を説明するための説明図である。

【図4】第１実施形態に係る水素濃度検出装置の分解斜視図である。

【図5】第１実施形態に係る単位セルにおける水素排出用マニホールド付近の断面図である。

【図6】第１実施形態に係る制御装置が実行する水素濃度調整処理の流れを示すフローチャートである。

【図7】第１実施形態に係る燃料電池全体で水素欠乏が生じた場合における水素排出用マニホールド内の水素濃度分布の一例を示している。

【図8】第１実施形態に係る燃料電池の単位セルの一部で水素欠乏が生じた場合における水素排出用マニホールド内の水素濃度分布の一例を示している。

【図9】第１実施形態に係る燃料電池の単位セルの一部で水素欠乏が生じた場合における水素排出用マニホールド内の水素濃度分布の他の例を示している。

【図10】第１実施形態に係る燃料電池の単位セルの一部で水素欠乏が生じた場合における水素排出用マニホールド内の水素濃度分布の他の例を示している。

【図11】第２実施形態に係る制御装置が実行する水素濃度調整処理の流れを示すフローチャートである。

【図12】第３実施形態に係る水素濃度検出装置の検知部の配置形態を説明するための説明図である。

【図13】第３実施形態に係る水素濃度検出装置の分解斜視図である。

【図14】第３実施形態に係る制御装置が実行する水素濃度調整処理の流れを示すフローチャートである。

【図15】第３実施形態に係る燃料電池全体および単位セルの一部で水素欠乏が生じた場合における各濃度反応素子の抵抗値の変化の一例を示している。

【図16】第３実施形態に係る燃料電池全体および単位セルの一部で水素欠乏が生じた場合における各濃度反応素子の抵抗値の変化の他の例を示している。

【図17】水素濃度検出装置の変形例に係る単位セルにおける水素排出用マニホールド付近の断面図である。

【図18】水素濃度検出装置の変形例の斜視図である。

【図19】水素濃度検出装置の検知部の配置形態の変形例を説明するための説明図である。

【図20】水素濃度検出装置の検知部の配置形態の変形例を説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

【0036】

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図１０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の全体構成図であり、図２は、単位セル１０の要部の断面図（積層方向の断面図）を示している。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、所謂燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ（図示略）等の電気負荷に電力を供給するものである。

【0037】

燃料電池システムは、図１に示すように、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１を備えている。燃料電池１は、車両走行用電動モータや二次電池といった電気負荷に供給される電気エネルギを出力するもので、本実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池を採用している。より具体的には、燃料電池１は、基本単位となる単位セル１０が複数積層されて、各単位セル１０が電気的に直列に接続されて構成されたものである。

【0038】

図２に示すように、各単位セル１０は、プロトン伝導性のイオン交換膜（固体高分子）からなる電解質膜１１の両側面に一対の電極１２、１３が配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１４と、この膜電極接合体１４を狭持する一対のセパレータ１５で構成されている。

【0039】

一対の電極１２、１３のうち、一方の電極が水素を主成分とする燃料ガスが供給される水素極１２（アノード）として構成され、他方の電極が、酸素を主成分とする酸化剤ガス（空気）が供給される空気極１３（カソード）として構成されている。なお、各電極１２、１３は、触媒層およびガス拡散層にて構成されている。

【0040】

また、一対のセパレータ１５それぞれは、カーボン材や導電性金属よりなる板状プレートからなり、水素極１２と対向する面に水素極１２に水素を供給するための水素流路（燃料ガス流路）１５ａが形成され、空気極１３と対向する面に空気極１３に空気を供給するための空気流路１５ｂが形成されている。

【0041】

図１に戻り、燃料電池１の内部には、各単位セル１０の水素流路１５ａに水素を分配する水素供給用マニホールド１６、および各単位セル１０の水素流路１５ａの出口部から流出した水素を集合させる水素排出用マニホールド１７が、各単位セル１０の積層方向に延びるように配置されている。なお、本実施形態では、水素供給用マニホールド１６が燃料ガス供給マニホールドを構成し、水素排出用マニホールド１７が燃料ガス排出マニホールドを構成している。

【0042】

同様に、燃料電池１の内部には、各単位セル１０の空気流路１５ｂに空気を分配する空気供給用マニホールド（図示略）、および各単位セル１０の空気流路１５ｂから流出した空気を集合させる空気排出用マニホールド（図示略）が、各単位セル１０の積層方向に延びるように配置されている。

【0043】

水素供給用マニホールド１６および空気供給用マニホールドから水素および空気といった反応ガスが供給されると、各単位セル１０では、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応して、電気エネルギを出力する。

【0044】

（水素極側：アノード側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（空気極側：カソード側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
なお、燃料電池１から出力される電気エネルギは、燃料電池１全体として出力される電圧を検出する電圧センサ（図示略）、および、燃料電池１全体として出力される電流を検出する電流センサ（図示略）によって計測される。なお、電圧センサおよび電流センサは、後述する制御装置１００に接続されており、各センサの検出値が制御装置１００に入力される。

【0045】

また、本実施形態の水素排出用マニホールド１７には、複数の水素濃度センサ１８１を有する水素濃度検出装置１８が配置されている。本実施形態の水素濃度検出装置１８は、水素排出用マニホールド１７における水素濃度の分布を検出する水素濃度検出手段を構成し、複数の水素濃度センサ１８１が、各単位セル１０の水素流路１５ａから排出された水素の濃度を検出する検知部を構成している。なお、水素濃度検出装置１８は、後述する制御装置１００に接続されており、制御装置１００には、水素濃度検出装置１８の各水素濃度センサ１８１の検出値（水素濃度）が入力される。

【0046】

水素濃度検出装置１８の各水素濃度センサ１８１は、図３に示すように、水素の水素流れ上流側から下流側に渡って各単位セル１０の水素流路１５ａそれぞれに対応して設けられている。本実施形態では、水素濃度センサ１８１として熱伝導式のガス濃度センサを採用している。

【0047】

本実施形態の水素濃度検出装置１８は、図４の分解斜視図、および図５の断面図に示すように、複数の水素濃度センサ１８１、基板１８ａを水素排出用マニホールド１７に固定する第１、第２ステー１８ｂ、１８ｃを有する。第１、第２ステー１８ｂ、１８ｃは、基板１８ａを挟持した状態で組み付けることで、各単位セル１０の水素流路１５ａの出口部に対応する部位と水素排出用マニホールド１７とを連通する連通路１８ｄが形成されるように構成されている。そして、水素濃度センサ１８１は、連通路１８ｄ内に位置するように基板１８ａに実装されている。

【0048】

図１に戻り、燃料電池１には、水素供給用マニホールド１６を介して各単位セル１０に水素を供給するための水素供給配管２０、および水素排出用マニホールド１７を介して各単位セル１０の内部に存する生成水や窒素を未反応水素と共に燃料電池１の外部に排出する水素排出配管２１が接続されている。なお、本実施形態の水素供給配管２０が燃料ガス供給流路を構成し、水素排出配管２１が燃料オフガス排出流路を構成している。

【0049】

これら水素供給配管２０および水素排出配管２１は、水素循環配管２２を介して接続されている。なお、本実施形態では、水素循環配管２２が燃料オフガス循環流路を構成している。

【0050】

水素供給配管２０には、その最上流部に、高圧水素が充填された高圧水素タンク２３が設けられている。また、水素供給配管２０における高圧水素タンク２３と燃料電池１との間には、シャット弁２４、および燃料電池１に供給される水素の圧力を所定の圧力に調整する水素調圧弁２５が設けられている。

【0051】

燃料電池１に水素を供給する際に、シャット弁２４が開放され、水素調圧弁２５によって所望の水素圧力に調整された水素が燃料電池１に供給される。本実施形態では、水素調圧弁２５が燃料ガス供給圧力調整手段を構成している。なお、車両停止時には、安全の為にシャット弁２４は閉鎖される。

【0052】

水素排出配管２１には、水素を燃料電池１の外部に排出するための排出弁２６が設けられている。この排出弁２６は、開放された際に、燃料電池１の水素極１２側から水素排出配管２１を介して、水素、蒸気（あるいは水）および空気極１３側から電解質膜１１を通過して水素極１２側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。本実施形態では、排出弁２６が燃料オフガス排出手段を構成している。

【0053】

水素循環配管２２は、水素排出配管２１の排出弁２６上流側から分岐して水素供給配管２０の水素調圧弁２５下流側に接続されている。これにより、燃料電池１から流出した未反応水素を含む燃料オフガスを、燃料電池１に循環させて再供給している。さらに、水素循環配管２２には、燃料オフガスを水素供給配管２０に循環させる水素循環ポンプ２７が配置されている。なお、本実施形態では、水素循環ポンプ２７が燃料オフガス循環手段を構成している。

【0054】

また、燃料電池１には、空気供給用マニホールドを介して各単位セル１０に空気を供給するための空気供給配管３０、および空気排出用マニホールドを介して各単位セル１０の内部に存する生成水や窒素を空気と共に燃料電池１の外部に排出する空気排出配管３１が接続されている。

【0055】

空気供給配管３０には、空気を圧縮して吐出する空気供給装置３２が設けられている。本実施形態では、空気供給装置３２として圧送ポンプを用いている。なお、空気供給装置３２は、後述する制御装置１００に接続されて、制御装置１００からの制御信号に応じて作動が制御される。

【0056】

制御装置１００は、各種入力信号に基づいて各種演算処理を実行するもので、ＣＰＵ、およびＲＯＭ、ＲＡＭといった記憶手段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より構成されている。

【0057】

制御装置１００の入力側には、上述のように水素濃度検出装置１８に接続されており、水素濃度検出装置１８の各水素濃度センサ１８１から検出値（水素濃度）が入力される。また、制御装置１００の出力側には、水素調圧弁２５、排出弁２６、水素循環ポンプ２７、空気供給装置３２等の構成機器が接続されており、水素濃度検出装置１８等の各種入力機器からの入力信号に基づいて、各種構成機器２５、２６、２７、３２が制御される。

【0058】

ここで、燃料オフガスには、未反応水素以外にも空気極１３側から水素極１２側へと透過した窒素等の不純物が含まれており、燃料オフガスを、水素循環配管２２を介して水素供給配管２０に循環する循環運転を継続すると、単位セル１０の水素極１２側への水素の供給不足（水素欠乏）が生じ易くなる。この水素欠乏には、燃料ガスの供給不足により燃料電池全体に生ずる全体欠乏、および各単位セル内部の圧力損失等に起因する燃料ガスの分配不良によって燃料電池１の一部の単位セル１０に生ずる部分欠乏が存在する。

【0059】

これら全体欠乏および部分欠乏は、それぞれ発生要因が異なるため、水素欠乏が全体欠乏なのか、部分欠乏なのかを判別し、当該判別結果に応じて水素濃度を調整することが必要となる。

【0060】

このため、本実施形態の制御装置１００では、水素濃度検出装置１８の各水素濃度センサ１８１での検出値に基づいて燃料電池１の内部における水素欠乏状態を診断する水素欠乏状態診断処理を行うことで、水素欠乏が全体欠乏なのか、部分欠乏なのかを判別するようにしている。

【0061】

さらに、本実施形態の制御装置１００では、水素欠乏状態診断処理の結果に応じて燃料オフガスを排出する排出処理、および水素循環ポンプ２７の回転数を制御して燃料ガスの循環量を調整する循環量調整処理等を行う。なお、本実施形態では、制御装置１００における水素欠乏状態を診断する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）を水素欠乏状態診断手段１００ａとする。また、燃料オフガス排出手段である排出弁２６の作動を制御する構成を燃料オフガス排出制御手段１００ｂとし、燃料オフガス循環手段である水素循環ポンプ２７の作動を制御する構成を燃料オフガス循環制御手段１００ｃとし、燃料ガス供給圧力調整手段である水素調圧弁２５の作動を制御する構成を燃料ガス供給圧力制御手段１００ｄとする。

【0062】

次に、本実施形態の制御装置１００が実行する水素欠乏状態診断処理を含む水素濃度調整処理について図６〜図１０に基づいて説明する。図６は、本実施形態の制御装置１００が実行する水素濃度調整処理の流れを示すフローチャートである。図６に示す制御フローは、燃料電池１を起動させ、燃料電池１に対して燃料オフガスを循環させる循環運転が開始されるとスタートする。なお、説明の便宜のため、本実施形態における制御装置１００の制御処理の説明では、水素排出用マニホールド１７に５つの水素濃度センサ１８１が配置されているものとする。

【0063】

まず、水素排出用マニホールド１７に配置された各水素濃度センサ１８１にて検出された水素濃度Ｓ（ｎ）（ｎ＝１〜５）を読み込み（Ｓ１０）、読み込んだ各水素濃度Ｓ（ｎ）の平均値Ｓａｖｇを算出する（Ｓ２０）。

【0064】

そして、水素濃度Ｓ（ｎ）の平均値Ｓａｖｇが、予め定められた平均基準濃度以下であるか否かを判定する（Ｓ３０）。なお、平均基準濃度Ｙ１は、実験やシミュレーション等によって水素欠乏が燃料電池１全体に生ずる際の水素濃度分布に基づいて算出しており、予め制御装置１００の記憶手段に記憶されている。

【0065】

ここで、図７は、燃料電池１全体で水素欠乏が生じた場合における水素排出用マニホールド１７内の水素濃度分布の一例を示している。なお、図７における横軸は、右側が水素排出用マニホールド１７における出口部に近い位置（出口側）を示し、左側が水素排出用マニホールド１７の出口部に対して遠い位置（奥側）を示している。このことは、以降の水素濃度分布を示す図面においても同様である。

【0066】

水素供給用マニホールド１６から各単位セル１０に充分な水素濃度を有する燃料ガスが供給されている場合（燃料オフガスの循環運転の初期段階等）、水素排出用マニホールド１７内の水素濃度分布は、図７の「異常なし」で示すように、一様に水素濃度が高い分布となる。

【0067】

これに対して、燃料オフガスの循環運転が継続されると、各単位セル１０内の分圧差により空気極１３に含まれる窒素等が水素極１２側へと透過し、水素極１２側における不純物の量が徐々に増大して水素排出用マニホールド１７内の水素濃度が低下する。水素濃度の低下が燃料ガスの供給不足に起因して生じている場合、図７に示すように、水素排出用マニホールド１７内の水素濃度の分布が一様に低下する傾向がある。

【0068】

このため、ステップＳ３０の判定処理の結果、水素濃度Ｓ（ｎ）の平均値Ｓａｖｇが、平均基準濃度Ｙ１以下であると判定された場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）には、水素欠乏が燃料電池１全体に生ずる全体欠乏であると診断する（Ｓ４０）。

【0069】

水素欠乏が燃料電池１全体に生ずる全体欠乏である場合、燃料電池１の出力が著しく低下すると共に、燃料電池１の劣化が進行して耐久性の悪化を招くことがあり、燃料電池１内部の燃料ガスを入れ替える必要がある。

【0070】

このため、Ｓ４０にて、水素欠乏が燃料電池１全体に生ずる全体欠乏であると診断した後、排出弁２６を開放して、燃料電池１内部の水素および不純物のシステム外部への排出量を増大させる（Ｓ５０）。なお、排出弁２６を開放すると燃料電池１内部の圧力が低下するため、水素調圧弁２５の開度が開放側に調整されて、燃料電池１内部に高圧水素タンク２３から水素が供給される。これにより、水素欠乏が燃料電池１全体に生ずる全体欠乏を解消することができる。

【0071】

一方、上述したステップＳ３０の判定処理の結果、水素濃度Ｓ（ｎ）の平均値Ｓａｖｇが、平均基準濃度Ｙ１より高いと判定された場合（Ｓ３０：ＮＯ）には、各水素濃度センサ１８１を特定するためのカウンタｎを初期化（ｎ＝１）して、水素排出用マニホールド１７における最上流側の水素濃度Ｓ（１）が予め定められた部分基準濃度以下であるか否かを判定する（Ｓ７０）。

【0072】

ここで、水素排出用マニホールド１７における水素濃度は、上述の部分欠乏が生じた場合には、水素流れ上流側（燃料オフガス流れ上流側）から下流側に向かって高くなる傾向がある。このため、本実施形態では、部分基準濃度Ｙ２を一定値ではなく、水素排出用マニホールド１７における水素流れ上流側から下流側に向かって高くなるように設定している。なお、部分基準濃度Ｙ２は、実験やシミュレーション等によって水素欠乏が燃料電池１の一部の単位セル１０に生ずる際の水素濃度分布に基づいて算出しており、予め制御装置１００の記憶手段に記憶されている。

【0073】

図８は、燃料電池１の単位セル１０の一部で水素欠乏が生じた場合における水素排出用マニホールド１７内の水素濃度分布の一例を示し、図９および図１０は、燃料電池１の単位セル１０の一部で水素欠乏が生じた場合における水素排出用マニホールド１７内の水素濃度分布の他の例を示している。

【0074】

水素濃度の低下が燃料ガスの分配不良に起因して生じている場合、図８〜図１０に示すように、水素排出用マニホールド１７内の水素濃度が部分的に低下した分布となる。このため、ステップＳ７０の判定処理の結果、水素濃度Ｓ（１）が、部分基準濃度Ｙ２以下であると判定された場合（Ｓ７０：ＹＥＳ）には、水素欠乏が燃料電池１の単位セル１０の一部で生ずる部分欠乏であると診断する（Ｓ８０）。

【0075】

水素欠乏が燃料電池１の単位セル１０の一部に生ずる部分欠乏である場合、各単位セル１０への分配不良が生じていると考えられるので、水素循環ポンプ２７の回転数を増大させる（Ｓ９０）。これにより、各単位セル１０への燃料オフガスの循環量が増大し、各単位セル１０への水素の供給量が増加するので、燃料電池１の単位セル１０への分配不良による水素欠乏を解消することができる。

【0076】

また、上述したステップＳ７０にて水素濃度Ｓ（１）が部分基準濃度Ｙ２より高いと判定された場合（Ｓ７０：ＮＯ）には、下流側に配置された水素濃度センサ１８１にて検出した水素濃度Ｓ（２）を用いて部分欠乏であるか否かの診断を行うために、カウンタｎをインクリメント（ｎ＝ｎ＋１）して更新する（Ｓ１００）。

【0077】

そして、カウンタｎが水素濃度センサ１８１の個数Ｎ以下であるか否かを判定し（Ｓ１１０）、カウンタｎが水素濃度センサ１８１の個数Ｎ以下であれば、ステップＳ７０に戻り、水素排出用マニホールド１７における下流側の水素濃度Ｓ（ｎ）と部分基準濃度Ｙ２との比較判定を行う。

【0078】

ステップＳ１１０の判定処理の結果、カウンタｎが水素濃度センサ１８１の個数Ｎよりも多いと判定された場合、全体欠乏および部分欠乏のいずれもが発生していない状態であるため、燃料電池１の状態を水素欠乏なし（正常）と診断する（Ｓ１２０）。

【0079】

以上説明した本実施形態の構成によれば、水素排出用マニホールド１７の内部に配置された複数の水素濃度センサ１８１により水素排出用マニホールド１７における水素濃度の分布を検出することで、水素欠乏が全体欠乏なのか、部分欠乏なのかを判別することができる。

【0080】

そして、水素欠乏状態が全体欠乏と診断された場合、システム外部への燃料オフガスの排出量を増大させることで、燃料オフガスに含まれる多量の不純物を適切に排出し、水素欠乏を解消することができる。

【0081】

この結果、燃料電池１における耐久性の悪化を抑制することができる。これに加え、水素排出配管２１に存する燃料オフガスは、水素濃度が低いので、燃費の悪化を抑制しつつ安全にシステム外部に排出することができる。

【0082】

一方、水素欠乏状態が部分欠乏と診断された場合、燃料オフガスの循環量を増大させることで、各単位セル１０への水素の供給量を増加させることができ、燃料ガスの分配不良による水素欠乏を解消することができる。この際、燃料オフガスを有効利用するので、燃費の悪化を抑制しつつ、水素欠乏を解消することができる。

【0083】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図１１に基づいて説明する。図１１は、本実施形態に係る制御装置１００が実行する水素濃度調整処理の流れを示すフローチャートである。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

【0084】

本実施形態では、ステップＳ８０にて水素欠乏が部分欠乏と診断された場合、ステップＳ１３０に進み、水素調圧弁２５の開度を開放側に制御して、水素の供給圧力を増大させるようにしている。

【0085】

このように、水素欠乏が部分欠乏である場合には、水素の供給圧力を増大させることで、各単位セル１０への水素の供給量を増加させることができ、水素の分配不良による水素欠乏を解消することができる。

【0086】

（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。本実施形態では、水素濃度検出装置１８の検知部として、水素濃度に相関して抵抗値（物理量）が変化する濃度反応素子１８２を用いている。濃度反応素子１８２は、水素濃度の低下に伴って抵抗値が増大する素子を用いている。

【0087】

濃度反応素子１８２としては、プロトン（Ｈ^＋）の受容により電気抵抗が低下する特性を有する周知の素子（例えば、特許第３８６８９８９号公報参照）を用いることができる。なお、濃度反応素子１８２としては、濃度反応素子１８２の周囲の水素濃度が充分に高い場合の抵抗値が、水素濃度が低下した場合に１０倍以上となるものを採用することが望ましい。

【0088】

水素濃度検出装置１８の各濃度反応素子１８２は、図１２に示すように、各単位セル１０の水素流路１５ａそれぞれに対応して設けられている。

【0089】

本実施形態の各濃度反応素子１８２は、電気的に直列に接続された直列接続体を構成しており、水素濃度検出装置１８では、各濃度反応素子１８２の抵抗値が合算された総抵抗（合算値）の変化を水素濃度の分布として検出するようになっている。なお、制御装置１００には、各濃度反応素子１８２の抵抗値を合算した合算値が入力される。

【0090】

本実施形態の水素濃度検出装置１８は、図１３の分解斜視図に示すように、複数の濃度反応素子１８２、基板１８ａを水素排出用マニホールド１７に固定する第１、第２ステー１８ｂ、１８ｃを有する。各濃度反応素子１８２は、各ステー１８ｂ、１８ｃを組み付けた際に形成される連通路１８ｄ内に位置するように基板１８ａに実装されている。

【0091】

ここで、燃料電池１で水素欠乏が生じた場合における各濃度反応素子１８２の抵抗値の変化について、図１４、および図１５を用いて説明する。この説明では、水素排出用マニホールド１７に１０個の濃度反応素子１８２を直列接続した直列接続体が配置され、濃度反応素子１８２の周囲の水素濃度が充分に高い場合の濃度反応素子１８２の抵抗値を「Ｒａ（Ω）」としたとき、水素濃度が低下した際に濃度反応素子１８２の抵抗値が「１０Ｒａ（Ω）」（抵抗が１０倍）となるものとする。なお、図１４および図１５における横軸は、前述の図７と同様であり、説明を省略する。

【0092】

まず、水素供給用マニホールド１６から各単位セル１０に充分な水素濃度を有する燃料ガスが供給されている場合、図１４（ａ）の「異常なし」で示すように、各濃度反応素子１８２の抵抗値が、一様に低い分布となる（抵抗値の合算値Ｒ＝１０Ｒａ）。

【0093】

これに対して、燃料ガスの供給不足に起因して、水素欠乏が燃料電池１全体に生ずる場合（全体欠乏）、水素排出用マニホールド１７内の全域で水素濃度が低下して、図１４（ａ）の全体欠乏に示すように、各濃度反応素子１８２の抵抗値が、一様に高い分布となる（抵抗値の合算値Ｒ＝１００Ｒａ）。また、水素排出用マニホールド１７内の水素流れ下流側の全域で水素濃度が低下して、図１５（ａ）に示すように、各濃度反応素子１８２の抵抗値が、水素流れ下流側の全域で高い分布となる（抵抗値の合算値Ｒ＝５５Ｒａ）。

【0094】

一方、各単位セル１０への燃料ガスの分配不良に起因して、水素欠乏が燃料電池１の単位セル１０の一部に生ずる場合（部分欠乏）、水素排出用マニホールド１７内の一部で水素濃度が低下して、図１４（ｂ）および図１５（ｂ）に示すように、各濃度反応素子１８２の抵抗値の一部が高い分布となる（抵抗値の合算値Ｒ＝１９Ｒａ、２９Ｒａ）。

【0095】

このように、燃料電池１で水素欠乏が生じた場合、各濃度反応素子１８２の抵抗値の合算値Ｒが顕著に変化するため、各濃度反応素子１８２の抵抗値の合算値Ｒに基づいて、水素欠乏状態を把握することができる。

【0096】

次に、本実施形態の制御装置１００が実行する水素欠乏状態診断処理を含む水素濃度調整処理について図１６に基づいて説明する。図１６は、本実施形態の制御装置１００が実行する水素濃度調整処理の流れを示すフローチャートである。図１６に示す制御フローは、燃料電池１を起動させ、燃料電池１に対して燃料オフガスを循環させる循環運転が開始されるとスタートする。

【0097】

まず、水素排出用マニホールド１７に配置された各濃度反応素子１８２の抵抗値の合算値Ｒを検出し（Ｓ２００）、検出した合算値Ｒが、予め定められた第１基準閾値Ｒｒｅｆ１より小さいか否かを判定する（Ｓ２１０）。なお、第１基準閾値Ｒｒｅｆ１は、実験等によって、水素欠乏が燃料電池１の一部に生ずる際の水素濃度分布に対応する各濃度反応素子１８２の抵抗値の合算値Ｒに基づいて算出しており、予め制御装置１００の記憶手段に記憶されている。

【0098】

ステップＳ２１０の判定処理の結果、各濃度反応素子１８２の抵抗値の合算値Ｒが、第１基準閾値Ｒｒｅｆ１以下である場合（Ｓ２１０：ＹＥＳ）には、燃料電池１の状態を水素欠乏なし（正常）と診断する（Ｓ２２０）。

【0099】

一方、ステップＳ２１０の判定処理の結果、各濃度反応素子１８２の抵抗値の合算値Ｒが第１基準閾値Ｒｒｅｆ１より大きい場合（Ｓ２１０：ＮＯ）には、各濃度反応素子１８２の抵抗値の合算値Ｒが、予め第１基準閾値Ｒｒｅｆ１より大きい値に設定された第２基準閾値Ｒｒｅｆ２より小さいか否かを判定する（Ｓ２３０）。

【0100】

この結果、各濃度反応素子１８２の抵抗値の合算値Ｒが第２基準閾値Ｒｒｅｆ２より大きい場合（Ｓ２３０：ＮＯ）には、水素欠乏が燃料電池１全体に生ずる全体欠乏であると診断する（Ｓ２４０）。そして、排出弁２６を開放して、燃料電池１内部の水素および不純物のシステム外部への排出量を増大させて（Ｓ２５０）、水素欠乏が燃料電池１全体に生ずる全体欠乏を解消する。

【0101】

一方、各濃度反応素子１８２の抵抗値の合算値Ｒが第２基準閾値以下である場合（Ｓ２３０：ＹＥＳ）には、水素欠乏が燃料電池１の単位セル１０の一部で生ずる部分欠乏であると診断する（Ｓ２６０）。そして、水素循環ポンプ２７の回転数を増大させて（Ｓ９０）、燃料電池１の単位セル１０への分配不良による水素欠乏を解消する。なお、第２実施形態のように、水素調圧弁２５の開度を開放側に制御して、水素の供給圧力を増大させることで、水素の分配不良による水素欠乏を解消してもよい。

【0102】

以上説明した本実施形態の構成によれば、水素排出用マニホールド１７の内部に配置された複数の濃度反応素子１８２の抵抗値の変化に基づいて水素排出用マニホールド１７における水素濃度の分布を検出することで、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

【0103】

特に、本実施形態では、水素濃度検出装置１８の検知部を濃度反応素子１８２で構成すると共に、各濃度反応素子１８２を電気的に直列接続した直列接続体の抵抗値（各濃度反応素子１８２の抵抗値の合算値）を制御装置１００に入力する構成としており、第１実施形態に比べて、水素濃度検出装置１８の簡素化を図ることができる。

【0104】

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。

【0105】

（１）上述の各実施形態では、水素濃度検出装置１８の各水素濃度センサ１８１、および各濃度反応素子１８２を、水素排出用マニホールド１７内に位置する連通路１８ｄに配置する例を説明したが、これに限定されない。

【0106】

例えば、図１７の断面図、および図１８の斜視図に示すように、基板１８ａの一部が水素流路１５ａの出口部まで延びる形状とし、基板１８ａにおける水素流路１５ａの出口部内に位置する部位に検知部（水素濃度センサ１８１、濃度反応素子１８２）を配置するようにしてもよい。

【0107】

（２）上述の第１実施形態では、各単位セル１０の水素流路１５ａの出口部に対応して複数の水素濃度センサ１８１を配置する例を説明したが、これに限定されない。例えば、水素濃度検出装置１８の各ステー１８ｂ、１８ｃにて形成される連通路１８ｄを、隣接する複数の単位セル１０の水素流路１５ａの出口部を横断する形状し、当該連通路１８ｄ内に水素濃度センサ１８１を配置するようにしてもよい。同様に、第３実施形態において、図１９に示すように、隣接する複数の単位セル１０の水素流路１５ａの出口部に対応して濃度反応素子１８２を配置してもよい。

【0108】

（３）上述の第１実施形態のように、水素排出用マニホールド１７の水素流れ上流側と下流側とで異なる部分基準濃度Ｙ２を設定することが好ましいが、これに限定されず、例えば、部分基準濃度Ｙ２を一定値としてもよい。

【0109】

（４）上述の第３実施形態では、各濃度反応素子１８２の全てを電気的に直列に接続する例について説明したが、これに限定されず、各濃度反応素子１８２のうち、一部の濃度反応素子１８２を電気的に直列に接続してもよい。例えば、均等な数の濃度反応素子１８２を直列接続してもよいし、図２０に示すように、不均等な数の濃度反応素子１８２を直列接続してもよい。この場合、制御装置１００において、各濃度反応素子１８２の抵抗値の合算値を算出し、当該合算値に応じて水素欠乏状態の診断処理を行えばよい。

【0110】

（５）上述の各実施形態では、水素欠乏を全体欠乏および部分欠乏のいずれに該当するかを診断し、当該診断結果に応じて水素濃度を調整する構成としているが、これに限定されない。例えば、水素欠乏を全体欠乏および部分欠乏のいずれに該当するかを診断し、当該診断結果をユーザに報知するようにしてもよい。

【0111】

（６）上述の各実施形態では、本発明の燃料電池システムを燃料電池車両に適用した例を説明したが、これに限定されず、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用してもよい。

【符号の説明】

【0112】

１ 燃料電池
１０ 単位セル
１６ 水素供給用マニホールド（燃料ガス供給マニホールド）
１７ 水素排出用マニホールド（燃料ガス排出マニホールド）
１８ 水素濃度検出装置（水素濃度検出手段）
１８１ 水素濃度センサ（検知部）
１８２ 濃度反応素子（検知部）
２０ 水素供給配管（燃料ガス供給流路）
２１ 水素排出配管（燃料オフガス排出流路）
２２ 水素循環配管（燃料オフガス循環流路）
２５ （燃料ガス供給圧力調整手段）
２６ 排出弁（燃料オフガス排出手段）
２７ （燃料オフガス循環手段）
１００ 制御装置
１００ａ 水素欠乏状態診断手段
１００ｂ 燃料オフガス排出制御手段
１００ｃ 燃料オフガス循環制御手段
１００ｄ 燃料ガス供給圧力制御手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】