JP2011100677A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】初期段階でドライアップを検知し、燃料電池への反応ガスの供給を制御することで、ドライアップの拡大を抑制した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムであって、燃料電池５１０と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部６５０と、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部７００と、燃料電池への燃料ガス６６０と酸化ガス７１０の供給を制御する制御部と、を備え、燃料電池中の酸化ガスの流れと燃料ガスの流れは、対向流であり、制御部は、燃料電池のアノード出口における燃料電池のドライアップを検知した場合には、燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を上げる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムの制御に関するものである。

燃料電池では、良好な発電状態を維持するために、アノードとカソードの間に配置された電解質膜が適度な湿潤状態を保つことが好ましい。すなわち、燃料電池内の水が不足し電解質膜が乾燥（ドライアップ）すると、燃料電池は、良好な発電状態を維持できなくなる。この問題に対処するために、燃料電池のドライアップを検知し、アノードとカソードのガスの分圧差を調整して燃料電池の内部に水を供給することができる燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１）。

特開２００８−１５３０３２号公報

しかし、従来の技術では、ドライアップがある程度拡大し、燃料電池の出力が低下してからから対応していた。そのため、ドライアップの初期段階でドライアップを検知し、燃料電池の出力低下を抑制することが困難であるという問題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、初期段階でドライアップを検知し、燃料電池への反応ガスの供給を制御することで、ドライアップの拡大を抑制し、燃料電池の出力低下を抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化ガスの供給を制御する制御部と、を備え、前記燃料電池中の前記酸化ガスの流れと前記燃料ガスの流れは、対向流であり、前記制御部は、前記燃料電池のアノード出口における燃料電池のドライアップを検知した場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を上げる、燃料電池システム。
この適用例によれば、アノード出口は最もドライアップし易いので、ドライアップの初期段階で燃料電池のドライアップを検知し、燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を上げることで、ドライアップの拡大を抑制し、燃料電池の出力低下を抑制することができる。

［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池の電圧とインピーダンスとを取得する測定手段を備え、前記制御部は、前記電圧が燃料電池の動作電圧以上の電圧であってあらかじめ定められた電圧以下であり、かつ、前記インピーダンスがあらかじめ定められた第１のインピーダンス値よりも大きい場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を上げる、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池におけるドライアップを初期段階で簡便に検知することが可能となる。

［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記インピーダンスが、前記第１のインピーダンス値よりも大きく、かつ前記第１のインピーダンス値よりも大きな第２のインピーダンス値よりも小さい場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を上げ、前記インピーダンス値が前記第２のインピーダンス値よりも大きい場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を下げる、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池内の状態に適したドライアップの対策を講じることが可能となる。

［適用例４］
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池内の水分布を取得し、前記燃料電池のアノード出口における燃料電池においてドライアップを検知した場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を上げる、燃料電池システム。
この適用例によれば、水分布求めることによりドライアップを初期段階で検知することが可能となる。

［適用例５］
適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、アノード及びカソードのそれぞれに反応ガスの供給を受けることにより発電を行う膜電極接合体と、前記反応ガスの入口における発電環境を決定する入口環境決定手段と、を有しており、前記制御部は、前記膜電極接合体の発電量と発電環境との関係を定めた発電特性を記憶する発電特性記憶手段と、前記膜電極接合体の反応ガス消費量及び水生成量と前記発電量との関係を定めた消費生成特性を記憶した消費生成特性記憶手段と、前記膜電極接合体を、仮想的に、前記反応ガスの流れに沿って並んだ複数の小領域に区分する小領域定義手段と、前記複数の小領域のそれぞれにおける発電量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて、前記発電特性に従って算出する発電量算出手段と、前記複数の小領域のそれぞれにおける反応ガス消費量及び水生成量を、当該小領域で生成された発電量に基づいて、前記消費生成特性に従って算出する消費生成量算出手段と、前記複数の小領域のそれぞれが生成する発電環境を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に、当該小領域における反応ガス消費量及び水生成量を反映させることにより算出する発電環境更新手段と、前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量と発電環境との関係を定めた水移動特性を記憶する水移動特性記憶手段と、前記複数の小領域のそれぞれにおける水移動量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて、前記水移動特性に従って算出する水移動量算出手段と、を有しており、前記発電環境更新手段は、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のカソードに存在する水量と当該小領域における水生成量との和から、当該小領域における水移動量を減ずることで当該小領域のカソードに存在する水量を算出するカソード水量更新手段と、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のアノードに存在する水量に当該小領域における水移動量を加えることで当該小領域のアノードに存在する水量を算出するアノード水量更新手段と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
この適用例によれば、容易に水分布を求めることができるので、ドライアップの状態を検知することが可能となる。

［適用例６］
適用例１から適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池から排出される燃料排ガスを還流する還流路を有しており、前記制御部は、還流する燃料排ガスの一部を排気することにより、燃料ガス中の水素の分圧を上げる、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料排ガス中には、未反応水素以外の成分が含まれているので、燃料排ガスの一部を排気し、残りを還流させることにより燃料電池に供給される燃料ガス中の水素の分圧を上げることが可能となる。

［適用例７］
適用例１から適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、燃料ガスの圧力を上げることにより、水素の分圧を上げる、燃料電池システム。
この適用例によれば、容易に燃料ガス中の水素の分圧を上げることが可能となる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムの制御方法等、様々な形態で実現することができる。

燃料電池システムを搭載した車両を示す説明図である。 燃料電池システムの構成を示す説明図である。 燃料電池スタックの構成を示す説明図である。 単セルの湿潤状態と乾燥状態における電流分布を示す説明図である。 単セルの湿潤状態と乾燥状態における水移動を示す説明図である。 燃料電池の運転制御を示すフローチャートである。 発電電流が電流Ｉ１のときの燃料ガス中の水素分圧と単セル６１０のセル電圧の関係を示す説明図である。 電解質膜の含水量と燃料電池のインピーダンスの関係を示す説明図である。 燃料電池のインピーダンスの測定方法及び測定結果の一例を示す説明図である。 第２の実施例における燃料電池の運転制御を示すフローチャートである。 第３の実施例における燃料電池の運転制御を示すフローチャートである。 第３の実施例における電解質膜の含水量と燃料電池のインピーダンスの関係を示す説明図である。 第４の実施例における燃料電池の運転制御を示すフローチャートである。 本実施例において用いられる電流密度Ｉのマップを示す。 図１４の場合と同様の規則に従って膜電極接合体１２の抵抗値Rと発電環境との関係を定義したマップである。 同様の規則に従って膜電極接合体１２のカソードからアノードへの水移動量H2O_mと発電環境との関係を定義したマップである。 膜電極接合体小片を用いて特定の発電環境下での発電状態を測定するためのシステムの図である。 膜電極接合体１２内の水分布を含む面内状態の予測に用いる仮想的な分割方法を説明するための図である。 ｎ−１領域における発電環境を基礎としてｎ領域における発電環境を予測する手順を説明するための図である。 制御部５３０が実行するルーチンのフローチャートである。 カソード側の発電環境と発電状態を順次予測するための手法を説明するための図である。 酸化ガス通路と燃料ガス通路がカウンター流路を形成する場合に個々の小領域の発電環境及び発電状態を予測するための手法を説明するための図である。 本実施形態において制御部５３０が実行するルーチンのフローチャートである。 本実施形態のシステムが実行した分布予測の結果である。

［第１の実施例］
図１は、燃料電池システムを搭載した車両を示す説明図である。車両５００は、燃料電池５１０と、制御部５３０（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）とも呼ぶ。）と、要求出力検知部５３５と、二次電池５４０と、分配コントローラ５５０と、駆動モータ５６０と、ドライブシャフト５７０と、分配ギア５８０と、車輪５９０と、を備える。

燃料電池５１０は、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学的に反応させて電力を取り出すための発電装置である。燃料電池５１０の構成については、後述する。制御部５３０は、要求出力検知部５３５から取得した要求出力値に基づいて、燃料電池５１０と二次電池５４０の動作を制御する。要求出力検知部５３５は、車両のアクセル（図示せず）の踏み込み量を検知し、その踏み込み量の大きさから、運転手からの要求出力を検知する。二次電池５４０として、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池を採用することが可能である。二次電池５４０への充電は、例えば、燃料電池５１０から出力される電力を用いて直接充電することや、車両５００が減速するときに車両５００の運動エネルギーを駆動モータ５６０により回生して充電すること、により行うことが可能である。分配コントローラ５５０は、制御部５３０からの命令を受けて、燃料電池５１０から駆動モータ５６０への引き出す電力量と、二次電池５４０から駆動モータ５６０へ引き出す電力量を制御する。また、分配コントローラ５５０は、車両５００の減速時には、制御部５３０からの命令を受けて、駆動モータ５６０により回生された電力を二次電池５４０に送る。駆動モータ５６０は、車両５００を動かすための電動機として機能する。また、駆動モータ５６０は、車両５００が減速するときには、車両５００の運動エネルギーを電気エネルギーに回生する発電機として機能する。ドライブシャフト５７０は、駆動モータ５６０が発する駆動力を分配ギア５８０に伝達するための回転軸である。分配ギア５８０は、左右の車輪５９０へ駆動力を分配する。

図２は、燃料電池システムの構成を示す説明図である。燃料電池５１０は、燃料電池スタック６００と、燃料ガス供給系（アノード系）６５０と、酸化ガス供給系（カソード系）７００と、冷却系７５０と、を備えている。

燃料電池スタック６００は、多数の単セル（図示せず）が積層して構成されている。燃料電池には、燃料電池スタック６００に流れる電流及び電圧を測定するための電流電圧計６０５が接続されている。なお、電流電圧計６０５は、単セル毎の電流、電圧を測定できるように構成されていてもよい。

燃料ガス供給系６５０は、燃料ガスタンク６５５と、燃料ガス供給管６６０と、燃料ガス排気管６６５と、開閉バルブ６７０と、レギュレータ６７５と、燃料ガスポンプ６８０と、圧力計６８５、６８７と、露点計６９０と、流量計６９５と、を備える。燃料ガスタンク６５５は、燃料ガスを貯蔵する。本実施例では、燃料ガスとして、水素を用いている。燃料ガスタンク６５５と、燃料電池スタック６００とは、燃料ガス供給管６６０で接続されている。燃料ガス供給管６６０上には、燃料ガスタンク６５５からの燃料ガスの供給をオンオフするための開閉バルブ６７０と、燃料電池スタック６００に供給される燃料ガスの圧力を調整するためのレギュレータ６７５が設けられている。

燃料電池スタック６００には、燃料排ガスを排出するための燃料ガス排気管６６５の一端が接続されている。そして、燃料ガス排気管６６５の他端は、燃料ガス供給管６６０に接続されている。燃料ガス排気管６６５には、未反応の燃料ガスが含まれているが、これにより、未反応の燃料ガスを再び燃料電池スタック６００に供給することが可能となる。

燃料ガス供給管６６０上には、燃料電池スタック６００に供給される燃料ガスの圧力を測定するための圧力計６８５、燃料ガスの露点を測定するための露点計６９０、燃料ガスの流量を測定するための流量計６９５が設けられている。なお、露点計６９０の代わりに湿度計を設けてもよい。また、燃料ガス排気管６６５上には、燃料電池スタック６００から排出される燃料排ガスの圧力を測定するための圧力計６８７が設けられている。

酸化ガス供給系７００は、コンプレッサ７０５と、酸化ガス供給管７１０と、酸化ガス排気管７１５と、加湿装置７２０と、背圧弁７２５と、圧力計７３０、７３２と、露点計７３５と、流量計７４０と、を備える。本実施例では、酸化ガスとして空気を用いる。コンプレッサ７０５は、大気中の空気を取り込んで圧縮する。コンプレッサ７０５は、酸化ガス供給管７１０により、燃料電池スタック６００に接続されている。燃料電池スタック６００には、酸化排ガスを排出するための酸化ガス排気管７１５が接続されている。ここで、酸化ガス供給管７１０と酸化ガス排気管７１５には、加湿装置７２０が設けられている。燃料電池では、例えば、水素と、空気中の酸素と、を反応させて発電を行う。このとき、水素と酸素とが反応して水が生成する。生成した水は、酸化排ガスとともに燃料電池スタック６００から排出される。加湿装置７２０は、酸化排ガス中に含まれる水分を用いて、燃料電池スタック６００に供給される酸化ガスを加湿する。加湿装置７２０は、例えば、酸化ガス流路と、酸化排ガス流路とを備え、その２つの流路の間に加湿膜を備える構成であってもよい（図示せず）。これにより、加湿膜を介して、酸化配ガス中の水分を、酸化ガスに移動させることが可能である。酸化ガス排気管７１５には、背圧弁７２５が設けられている。背圧弁７２５は、燃料電池スタック６００内の空気の圧力を調整するために用いられる。

酸化ガス供給管７１０上には、燃料電池スタック６００に供給される酸化ガスの圧力を測定するための圧力計７３０、酸化ガスの露点を測定するための露点計７３５、酸化ガスの流量を測定するための流量計７４０が設けられている。なお、露点計７３５の代わりに湿度計を設けてもよい。また、酸化ガス排気管７１５上には、燃料電池スタック６００から排出される酸化排ガスの圧力を測定するための圧力計７３２が設けられている。

また、本実施例では、燃料ガス排気管６６５と酸化ガス排気管７１５とを繋ぐ第２の燃料ガス排気管７４５と、第２の燃料ガス排気管７４５に設けられた排気弁７４７を備える。上述のように本実施例では、燃料ガス排気管６６５は燃料ガス供給管６６０に接続されており、燃料ガスを還流して再利用している。ここで、燃料電池スタック６００を長時間運転すると、燃料排ガス中に、反応に寄与しない窒素が増えてくる。この窒素は、酸化ガス（空気中）の窒素が、燃料電池の電解質膜（図示せず）を透過してきたものと考えられる。燃料排ガス中に窒素が増えると、燃料ガス中にも窒素が増え、燃料電池スタック６００の反応性が落ちる。従って、本実施例では、燃料排ガス中の窒素の量が増えた場合には、排気弁７４７を開け、窒素を酸化ガス排気管７１５に流し、燃料ガス中の窒素の量を排気する。なお、このとき水素も一部が酸化ガス排気管７１５に流れる。しかし、酸化ガス排気管７１５や加湿装置７２０には、触媒が存在しないので、水素は酸化ガス排気管７１５に流れても、空気中の酸素と反応しない。また、水素の自然発火温度は、空気中で５７０℃、酸素中で５６０℃であるので、自然発火もしない。

冷却系７５０は、ポンプ７５５と、冷却水供給管７６０と、冷却水排出管７６５と、冷却水還流管７７５と、ラジエータ７７０と、ロータリー弁７８０と、温度計７８５、７９０と、を備える。ポンプ７５５は、冷却水に圧力をかけて、燃料電池スタック６００に送る。ポンプ７５５と、燃料電池スタック６００とは、冷却水供給管７６０により接続されている。燃料電池スタック６００には、冷却水を排出するための冷却水排出管７６５が接続されている。冷却水供給管７６０と、冷却水排出管７６５とは、ラジエータ７７０及び冷却水還流管７７５により接続されている。ラジエータ７７０は、冷却水排出管７６５を流れる温度の高い冷却水を冷却して冷却水供給管７６０に送る。冷却水還流管７７５は、冷却水排出管７６５を流れる冷却水をそのまま冷却水供給管７６０に送る。冷却水供給管７６０は、ロータリー弁７８０により、ラジエータ７７０と、冷却水還流管７７５とに接続されている。すなわち、ロータリー弁７８０の開度を変更することにより、燃料電池スタック６００に供給する冷却水の温度を調整することが可能である。また、冷却水供給管７６０には燃料電池スタック６００に供給される冷却水の温度を測定する温度計７８５が設けられ、冷却水排出管７６５には燃料電池スタック６００から排出される冷却水の温度を測定する温度計７９０が設けられている。

図３は、燃料電池スタックの構成を示す説明図である。燃料電池スタック６００は、複数の単セル６１０が積層されている。各単セル６１０は、電解質膜６２０と、アノード電極６３０と、カソード電極６３５と、アノードガス流路６４０と、カソードガス流路６４５と、を備えている。本実施例では、電解質膜６２０として、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜を用いている。アノード電極６３０、カソード電極６３５は、電解質膜の両面に配置されている。アノード電極６３０、カソード電極６３５は、燃料電池における電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒を含んでいる。ここで、アノード電極６３０が含む触媒の量について、アノード出口部における量を、他の場所よりも多くしてもよい。なお、電解質膜６２０と、アノード電極６３０、カソード電極を合わせて膜電極接合体１２とも呼ぶ。アノードガス流路６４０、カソードガス流路６４５は、膜電極接合体１２の両面にそれぞれ配置されている。アノードガス流路６４０、カソードガス流路６４５は、例えば、多孔体や、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーや、エキスパンドメタルを用いて形成することが可能である。なお、アノードガス流路６４０は、図示しないマニホールドを介して、図２に示す燃料ガス供給管６６０、燃料ガス排気管６６５と接続されている。また、カソードガス流路６４５は、図示しないマニホールドを介して、図２に示す酸化ガス供給管７１０、酸化ガス排気管７１５と接続されている。

図４は、単セルの湿潤状態と乾燥状態における電流分布を示す説明図である。図４において、縦軸は電流（電流密度）を示し、横軸は単セル６１０における反応ガスの流れに沿った位置を示している。横軸の左方はアノード上流（カソード下流）であり、右方はアノード下流（カソード上流）である。本実施例では、アノードガス（燃料ガス：水素）とカソードガス（酸化ガス：空気）は対向流（カウンタフロー）で流れる。

電解質膜６２０（図３）が湿潤状態のとき、電流分布は、中央よりもカソード上流側にピークを示す山の形をしたグラフである。この様な形状になるのは、以下の理由による。

カソード入口（アノード出口）の位置では、電解質膜６２０を加湿するのは、加湿装置７２０（図２）から供給される水分のみであるため、電気化学反応の反応性は高くなく、電流は小さい。位置が段々とカソード下流側に移動すると、それよりもカソード上流における電気化学反応により生じた生成水が酸化ガスの流れによりカソード下流に移動する。すなわち、電気化学反応による生成水により、カソード下流側ほど電解質膜６２０がより湿潤し、電気化学反応の反応性が大きくなり、電流が増える。すなわち、カソード上流側では、左上がりのグラフとなる。

一方、電気化学反応によりカソードガス中の酸素が消費される。したがって、カソード下流ほど酸素分圧が低くなる。そのため電気化学反応の反応性が小さくなり、電流が減少する。従って、カソード下流側では、右上がりのグラフとなる。以上のように、電流を示すグラフは、上記２つの現象が重なり合った結果を示し、山形形状のグラフとなる。そして、電流のピークは、ややカソード上流側に生じる。

一方、電解質膜６２０が乾燥し始めると、カソード上流（アノード下流）では、乾燥により電解質膜６２０の湿潤度が低いため、電気化学反応の反応性が下がり、電解質膜６２０が湿潤していた時に比べ電流値は減少方向に移動する。また、カソード上流では、電気化学反応の反応性が低下するため、酸素が消費されにくくなる。その結果、カソード下流での酸素分圧が湿潤時に比べ上昇する。そのため、カソード下流側で電気化学反応が促進され、湿潤時に比べ電流値は増加方向に移動する。すなわち図４に示すように、電流のピークはカソード下流側（アノード上流側）に移動する。

図５は、単セルの湿潤状態と乾燥状態における水移動を示す説明図である。横軸は図４と同様に、単セル６１０における反応ガスの流れに沿った位置を示している。縦軸は、水移動量を示している。水移動量は、例えば、［アノード上流（カソード下流）からアノード下流（カソード上流）への水の移動量］＋［電解質膜６２０を介したカソードガス流路６４５からアノードガス流路６４０への移動］で表すことが可能である。ここで、グラフの下半分は、カソードガス流路６４５（図３）における水分移動を示している。すなわち、酸化ガスの移動によりカソード上流から下流に向けて、水が移動する（面内循環水１）。グラフの上半分は、アノードガス流路６４０（図３）における水分移動を示している。すなわち、燃料ガスの移動によりアノード上流から下流に向けて、水が移動する（面内循環水２）。また、カソード下流では、電解質膜６２０を介して、カソードガス流路６４５からアノードガス流路６４０に水が移動する。

グラフの実線は、湿潤状態を示している。この状態では、カソード上流における電気化学反応が十分に行われ、生成水も多い。したがって、面内循環水１が多くなり、カソード下流に水が移動する。カソード下流では、カソードガス流路６４５からアノードガス流路６４０に水が移動する。その結果、アノード上流における水の量が多くなり、面内循環水２も多くなる。すなわち、電解質膜６２０が湿潤している時には、水の循環が順調に行われ、燃料電池５１０の出力を適切に維持することができる。

グラフの破線は、乾燥状態を示している。この状態では、カソード上流における電気化学反応が不十分であり、生成水が少ない。したがって、面内循環水１が少なくなり、カソード下流への水の移動量も少ない。その結果、電解質膜６２０を介した水の移動も少なくなり、アノード上流における水の量が少なくなり、面内循環水２も少なくなる。すなわち、電解質膜が乾燥すると、水の循環は起こりにくくなる。その結果、燃料電池５１０の反応性が低下し、電流、電圧が低下する。

図６は、燃料電池の運転制御を示すフローチャートである。ここで、図６（Ａ）は、第１の実施例における運転制御を示し、図６（Ｂ）は従来の運転制御を示している。なお、本実施例と、従来では、燃料電池システムの運転制御方法は異なるが、それ以外の構成は同じである。

ステップＳ６００において、制御部５３０は、燃料電池スタック６００の発電電流Ｉ及び発電電圧Ｖを取得する。なお、制御部５３０は、単セル６１０毎に、発電電圧Ｖを取得してもよい。ステップＳ６１０では、制御部５３０は、発電電圧Ｖがあらかじめ定められた閾値αよりも大きいか否かを、判断する。ここで、閾値αは、例えば燃料電池５１０にドライアップが発生していない通常の運転状態における電圧範囲の最低値ｘ以上の値である。なお閾値αの値は、例えば実験等によりあらかじめ定めておくことができる。

図７は、発電電流が電流Ｉ１のときの、燃料ガス中の水素分圧と単セル６１０のセル電圧の関係を示す説明図である。電流Ｉ１が一定のもとでは、燃料ガス中の水素分圧が上がると、セル電圧があがることがわかる。図７から、電流一定の下、セル電圧を上げるためには、例えば、水素分圧を上げればよいことがわかる。なお、セル電圧の上限は、ギブスエネルギー（−２３７ｋＪｍｏｌ^−１）から得られる理論値１．２３Ｖである。

図６（Ａ）のステップＳ６１０において、発電電圧Ｖがあらかじめ定められた閾値αよりも大きい場合には、制御部５３０は、そのまま燃料電池５１０の運転状態を維持する。一方、発電電圧Ｖがあらかじめ定められた閾値αよりも小さい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ６２０に移行し、燃料電池５１０のインピーダンスＲを取得する。

図８は、電解質膜の含水量と燃料電池のインピーダンスの関係を示す説明図である。電解質膜６２０の含水量が多いと、燃料電池のインピーダンスが小さく、含水量が少ないと、燃料電池のインピーダンスが大きくなることがわかる。なお、この理由として、電解質膜６２０の含水量が多いと、電気化学反応が促進される、あるいは、水素イオンの量が多くなって比抵抗が小さくなる、ことが考えられる。以上のように、電解質膜６２０の含水量と燃料電池のインピーダンスの間には、密接な関係がある。したがって、電解質膜６２０のインピーダンスを求めることにより、電解質膜６２０の含水量を予測することが可能である。

図９は、燃料電池のインピーダンスの測定方法及び測定結果の一例を示す説明図である。図９（Ａ）は、燃料電池のインピーダンスの測定方法を示す説明図である。制御部５３０は、燃料電池スタック６００から引く電圧を周波数ｆで微少振幅（Ｖ±ΔＶ）させ、そのときの燃料電池スタック６００に流れる電流Iを測定する。電流Iは、電圧の微小変化と同様に、微少振幅する（I±ΔI）。制御部５３０は周波数を変えて同様に電圧を印可し、電流を測定する。次に、制御部５３０は、高速フーリエ変換を用いて、インピーダンスＺを計算する。図９（Ｂ）は、インピーダンスＺの計算結果の一例を示す。インピーダンスＺは、実数成分と虚数成分を有している。また、インピーダンスＺの値は、周波数により変わる。本実施例では、そのうちの目標周波数における実数成分Ｒを用いる。以下、この実数成分Ｒを「インピーダンスＲ」とも呼ぶ。なお、目標周波数は、あらかじめ実験により、求めておく。

図６（Ａ）のステップＳ６３０において、インピーダンスＲの値が、あらかじめ定められた閾値βよりも大きい場合には、図８に示すように、電解質膜６２０（図３）の含水量が少ない。かかる場合には、燃料電池５１０がドライアップし始めていると考えられる。そして、今後、燃料電池５１０のドライアップが拡大し、出力電圧が現在の出力電圧よりも下がることが予測される。したがって、制御部５３０は、ステップＳ６４０において、排気弁７４７を制御し、水素分圧を上げる。具体的には、第２の燃料ガス排気管７４５に設けられた排気弁７４７（図２）を開けて、燃料排ガスの一部を排出させる。

燃料排ガス中には、未反応の水素及び窒素が含まれている。この窒素は、電解質膜６２０（図３）を介してカソード側から漏れてきたものである。本実施例では、上述したように、燃料排ガスを燃料ガス供給管６６０（図２）に還流して用いている。そして窒素は電気化学反応に寄与しないので消費されない。その結果、燃料排ガス中の窒素は、時間が経過すると共に増え、燃料電池スタック６００に供給される燃料ガス中の窒素も増加する。本実施例では、燃料排ガスの一部を排出させることにより、還流させる燃料排ガスの割合を減らし、燃料ガスタンク６５５から供給される水素の割合を増すことにより、燃料電池スタック６００に供給される燃料ガス中の水素の分圧を上げる。この結果、燃料電池５１０の電気化学反応を促進し、生成水を増やして、電解質膜６２０中の含水量を増加させることが、可能となる。そして、この生成水により、ドライアップの拡大を抑制することが可能となる。

一方、インピーダンスＲの値が、あらかじめ定められた閾値βよりも小さい場合には、電解質膜６２０に一定量の含水量が含まれている。したがって、制御部５３０は、そのまま燃料電池５１０の運転状態を維持する。なお閾値βは、あらかじめ実験により定めておくことができる。

図６（Ｂ）に示す従来例では、ステップＳ６００において、制御部５３０は、燃料電池スタック６００の発電電流Ｉ及び発電電圧Ｖを取得する。そして、ステップＳ６１５で、制御部５３０は、発電電圧Ｖが、燃料電池５１０から電圧を出力するときの目標電圧の最低値ｘよりも大きいか否かを、判断する。発電電圧Ｖが値ｘよりも小さい場合には、制御部５３０は、ステップＳ６４０において、排気弁７４７を制御し、水素分圧を上げる。一方、発電電圧Ｖが値ｘよりも大きい場合には、制御部５３０は、そのまま燃料電池５１０の運転状態を維持する。

従来例では、発電電圧Ｖが、最低値ｘまで下がらないと、制御部５３０は、排気弁７４７を制御しない。すなわち水素分圧を上げない。そして、制御部５３０は、電解質膜６２０中の含水量をチェックしていなかった。そのため、燃料電池５１０のドライアップがかなり拡大し、燃料電池の性能が低下してから、ドライアップに対する対応を実行していた。これに対し、本実施例では、制御部５３０は、燃料電池５１０から出力される電圧が、最低値ｘよりも高い閾値αまで下がったときに、インピーダンスＲを測定する。そして、インピーダンスＲがあらかじめ定められた閾値βよりも大きいか小さいかにより、燃料電池５１０のドライアップが起こり始めているか否かを判断する。したがって、制御部５３０は、従来に比べ、より早い時期、すなわち、ドライアップの初期段階でドライアップを検知することが出来る。そして、制御部５３０は、排気弁７４７を制御してこの段階で水素分圧を上げることにより、燃料電池５１０のドライアップの拡大を抑制し、燃料電池５１０の出力低下を抑制することが可能となる。

［第２の実施例］
図１０は、第２の実施例における燃料電池の運転制御を示すフローチャートである。第２の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じである。また、図１０に示すフローチャートにおいても、ステップＳ６００〜Ｓ６３０の動作は同じである。第２の実施例は、第１の実施例と、水素分圧を上げる方法が異なる。すなわち、第１の実施例では、制御部５３０は、ステップＳ６４０において、排気弁７４７を制御して、窒素を含む燃料排ガスを排気して水素分圧を上げているのに対し、第２の実施例では、ステップＳ１０４０において、アノード圧、すなわち全圧を上げることにより、水素の分圧を上げている。例えば、制御部５３０は、燃料ガスタンク６５５（図２）から供給する水素の供給量を増やすことにより、アノード圧を上げることが可能である。このように、アノード圧を上げることによっても燃料ガス中の水素の分圧を上げることが可能である。これにより、燃料電池５１０のドライアップの拡大を抑制し、燃料電池５１０の出力低下を抑制することが可能となる。

［第３の実施例］
図１１は、第３の実施例における燃料電池の運転制御を示すフローチャートである。第３の実施例は、第２の実施例においてアノード圧を上げると、逆にドライアップが進んでしまう場合において、その対応を示す実施例である。第３の実施例は、第２の実施例の構成と同じである。また、図１１に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１１００〜Ｓ１１３０までの動作は、図１０に示すフローチャートのステップＳ６００〜Ｓ６３０の動作と同じである。

第２の実施例では、ステップＳＳ６３０において、インピーダンスＲの値が、あらかじめ定められた閾値βよりも大きい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１０４０に移行し、アノード圧を上げている。これに対し、第３の実施例では、ステップＳＳ６３０において、インピーダンスＲの値が、あらかじめ定められた閾値βよりも大きい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１１４０に移行し、インピーダンスＲの値が、あらかじめ定められた閾値γよりも大きいか否かを判断する。この閾値γの値は、閾値βの値よりも大きな値である。

制御部５３０は、インピーダンスＲが閾値γよりも小さい場合には、処理をステップＳ１１５０に移行し、アノード圧を上げる。このときの動作は、第２の実施例のステップＳ１０４０における処理と同様である。なお、第１の実施例のステップＳ６４０の処理を行ってもよい。一方、インピーダンスＲが閾値γよりも大きい場合には、処理をステップＳ１１６０に移行し、アノード圧を下げる。なお、このγの値は、あらかじめ実験により求めておいてもよい。

図１２は、第３の実施例における電解質膜の含水量と燃料電池のインピーダンスの関係を示す説明図である。第１の実施例で示したように、電解質膜６２０の含水量とインピーダンスＲの間には、含水量が少なくなると、インピーダンスＲが大きくなるという関係がある。すなわち、インピーダンスＲが大きいと、含水量が少ない。インピーダンスＲが、閾値γよりも大きい場合は、すでに電解質膜６２０の含水量がかなり少なくなっており、燃料電池５１０のドライアップがかなり拡大している状態である。このような状態では、単に水素の分圧を増やしても燃料電池５１０の反応性は大きくなりにくい。このような状態では、アノード圧を上げるのではなく、逆に、アノード圧を低くしてもよい。

これにより、アノード入口付近の圧力が小さくなるので、カソードガス流路６４５から、電解質膜６２０を介してアノードガス流路６４０に移動する水分の量が増える。この水分は水素ガスの流れにより、アノード下流に移動し、アノード下流（カソード上流）において電解質膜６２０の湿潤度を上昇させる。そうすると、カソード上流（アノード下流）で電気化学反応（カソード反応）が促進され、水が生成する。この生成水は、酸化ガス（空気）の流れにより、カソードガス流路６４５中をカソード下流に流される。そして、カソード下流において、電解質膜６２０を介してアノードガス流路６４０に移動する。

第３の実施例によれば、アノード圧を低くすることにより、カソード上流に水を移動させて電気化学反応を促進させ、ここで生成した水を燃料電池５１０内に循環させることにより、燃料電池５１０のドライアップを解消させることが可能となる。

［第４の実施例］
図１３は、第４の実施例における燃料電池の運転制御を示すフローチャートである。第４の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じである。第４の実施例では、ステップＳ１３００において、制御部５３０は、燃料電池５１０の水分布を取得する。水分布の取得方法については後述する。ステップＳ１３１０において、制御部５３０は、水素分圧があらかじめ定められた値より少なく、水分布から求めた水分量があらかじめ定められた値よりも少なかった場合には、ドライアップが起こり始めていると判断し、処理をステップＳ１３２０に移行する。ステップＳ１３２０では、制御部５３０は、水素分圧を上げる。これにより、制御部５３０は、燃料電池５１０のドライアップを解消させることが可能となる。

第４の実施例では、圧力計６８５、６８７、７３０、７３２、露点計６９０、７３５、及び温度計７８５、７９０の出力は、制御部５３０に供給されている。制御部５３０は、それらの計測器の出力により、膜電極接合体１２の圧力及び温度に関する環境を検知することができる。

本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池５１０が備える個々の膜電極接合体１２の発電分布を正確に予測し、この発電分布に基づいて水分布を予測することが可能である。制御部５３０は、個々の膜電極接合体１２の発電分布を予測するために、図１４から図１６に示す複数のマップを記憶している。

図１４は、本実施例において用いられる電流密度Ｉのマップを示す。膜電極接合体１２は、その面内において、発電環境に応じた電流密度Ｉで発電を行う。図１４は、膜電極接合体１２を取りまく発電環境と、膜電極接合体１２が発生する電流密度Ｉとの関係を定義したマップを示す。

膜電極接合体１２の発電状態は、以下に説明する複数のパラメータにより決定される。ここでは、それらのパラメータを総称して「発電環境」と称することとする。
１．アノードを流れる燃料ガスの相対湿度An_RH
２．カソードを流れる酸化ガスの相対湿度Ca_RH
３．アノードの圧力P_An
４．カソードの圧力P_Ca
５．アノードを流れる燃料ガス中の水素濃度
６．カソードを流れる酸化ガス中の酸素濃度
７．膜電極接合体１２の温度
但し、「相対湿度」は、（蒸気圧）／（飽和蒸気圧）×１００である。

上記７つのパラメータのうち、３のアノードの圧力P_Anと、４のカソードの圧力P_Caとは、ほぼ同じ圧力と扱うこともできる。加えて、前者が発電状態に与える影響は、後者による影響に比して十分に小さい。このため、本実施形態では、３のアノード圧力P_Anの影響は無視すると扱うこともできる。また、上記のパラメータのうち、５の水素濃度は、位置によらずほぼ１００％と扱うこともでき、７の温度は、位置によらずほぼ冷却水温と同じと扱うこともできる。このため、本実施形態では、５の水素濃度と７の温度も一定値として取り扱うこともできる。

図１４は、残る４つのパラメータで決まる発電環境と、電流密度Ｉとの関係を定義している。より具体的には、図１４（Ａ）は、カソード圧力P_Caが１４０kPaである場合に発生する電流密度Ｉを、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度との関係で定義したマップである。また、図１４（Ｂ）は、カソード圧力P_Caが２００kPaである場合に発生する電流密度Ｉを、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度との関係で定義したマップである。

図１５は、図１４の場合と同様の規則に従って、膜電極接合体１２の抵抗値Rと発電環境との関係を定義したマップである。また、図１６は、同様の規則に従って、膜電極接合体１２のカソードからアノードへの水移動量H2O_mと発電環境との関係を定義したマップである。制御部５３０は、膜電極接合体１２の発電環境が特定されると、これらのマップを参照することにより、その発電環境下で発生する電流密度I、抵抗値R、及び水移動量H2O_mを予測することができる。本実施例では、電流密度I、抵抗値R、及び水移動量H2O_mをマップから求めているが、発電環境を用いた数式から求めてもよい。

次に、図１４から図１６に示すマップの作成方法について説明する。図３に示す膜電極接合体１２は、酸化ガスが流入してくる箇所と流出する箇所との間に十分に長い距離を有している。燃料ガスの流入経路についても同様である。このため、酸化ガスの圧力、及び燃料ガスの圧力は、膜電極接合体１２の面内において一定にはならない。

また、膜電極接合体１２は、発電に伴い、カソード側において水を生成する。生成された水は、酸化ガスの流れに伴って下流側に流される。このため、カソード側の水量は、膜電極接合体１２の面内において均一にはならない。その結果、カソード側の相対湿度Ca_RHには、ガスの流れに沿った分布が生ずる。

膜電極接合体１２のアノード側には、上述した通り、カソード側から水が移動してくる。このようにして移動してきた水は、燃料ガスの流れにより、その下流側に流される。このため、アノード側においても、水の量は面内で均一にはならない。その結果、アノード側の相対湿度An_RHにも、ガスの流れに沿った分布が生ずる。

更に、膜電極接合体１２は、カソードに供給される空気中の酸素を消費することで発電を行う。このため、カソードの面内における酸素濃度は、空気の入口に近いほど高くなり、空気の出口に近づくに連れて低くなる。このように、膜電極接合体１２においては、カソード側の酸素濃度にも、面内に分布が発生する。

図１４から図１６に示すマップを作成するにあたっては、発電環境を特定して、その結果生ずる結果を測定することが必要である。これらのマップを作成するにあたって特定するべき発電環境のうち、温度T及び圧力P_Caは、膜電極接合体１２の全面において比較的容易に均一化することができる。しかしながら、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度は、上述したように、膜電極接合体１２の全面において均一にすることは難しい。このため、フルサイズの膜電極接合体１２を用いた場合、発電環境を特定することが困難となる。そこで、本実施形態では、サイズを除いて膜電極接合体１２と同じ構造を有する膜電極接合体小片を作成し、この小片を用いて上記マップを作成することとした。

図１７は、膜電極接合体小片を用いて、特定の発電環境下での発電状態を測定するためのシステムの図である。膜電極接合体小片６０は、電解質膜の両側に、カソード側のガス流路と、アノード側のガス流路とを、コフロー流路の関係で備えている。膜電極接合体小片６０は、それらのガス流路の入口から出口までの発電環境、具体的には、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、酸素濃度、及び圧力が均一であるとみなせる程度の大きさを有している。ここでは、上記の観点から、膜電極接合体６０のサイズを１cm×１cmとしている。

図１７に示すシステムは、膜電極接合体小片６０のカソード側に連通する酸化ガス供給通路６２及び酸化ガス排出通路６４を備えている。酸化ガス供給通路６２には、コンプレッサ６６が連通している。コンプレッサ６６は、エアフィルタ６８を介して吸入した空気を膜電極接合体小片６０に向けて供給することができる。

酸化ガス供給通路６２には、調整バルブ７０を介して窒素タンク７２が連通している。窒素タンク７２は、調整バルブ７０の開度に応じた量の窒素を酸化ガス供給通路６２に供給することができる。

酸化ガス供給通路６２は、バブラー７４を備えている。バブラー７４は、ヒータ７６と温度計７８とを内蔵した加湿器である。バブラー７４によれば、設定温度における水蒸気の飽和状態を作り出すことができる。例えば、設定温度が４０℃であれば、膜電極接合体小片６０に流れ込む酸化ガスを４０℃における飽和状態になるように加湿することができる。

バブラー７４の下流には、圧力計８０と、ヒータ８２が配置されている。膜電極接合体小片６０は、上述した通り、その内部における圧力の分布が無視できる大きさとされている。このため、圧力計８０の計測値は、膜電極接合体小片６０のカソードにおける圧力P_Ca（均一値）として取り扱うことができる。

ヒータ８２は、膜電極接合体小片６０の前段での結露を防止するために設けられている。このような構成によれば、バブラー７４で加湿された酸化ガスを、そのままの湿度で膜電極接合体小片６０に供給することができる。従って、図１７に示すシステムによれば、膜電極接合体小片６０に供給する酸化ガスの湿度を、極めて精度良く制御することができる。

膜電極接合体小片６０のカソードに供給された酸化ガスは、酸化ガス排出通路６４から流出する。酸化ガス排出通路６４には、露点計８４が設けられている。露点計８４によれば、膜電極接合体小片６０から流出してくる酸化ガスの湿度を正確に測定することができる。

図１７に示すシステムは、膜電極接合体小片６０のアノード側に連通する燃料ガス供給通路８６及び燃料ガス排出通路８８を備えている。燃料ガス供給通路８６には、調整バルブ９０を介して水素タンク９２が連通している。この構成によれば、調整バルブ９０の開度を制御することで、所望の圧力で水素ガスを膜電極接合体小片６０に供給することができる。

燃料ガス供給通路８６は、調整バルブ９０の下流に、バブラー９４を備えている。バブラー９４は、カソード側のバブラー７４と同様に、ヒータ９６及び温度計９８を備えており、設定温度下での飽和状態が形成されるように燃料ガスを加湿することができる。

バブラー９４の下流には、圧力計１００と、ヒータ１０２が配置されている。圧力計１００の計測値は、膜電極接合体小片６０のアノードにおける圧力P_An（均一値）として取り扱うことができる。また、ヒータ１０２によれば、膜電極接合体小片６０の前段での結露を防止することができる。このような構成によれば、膜電極接合体小片６０のアノードに流入する燃料ガスの湿度を、極めて精度良く制御することができる。

膜電極接合体小片６０のアノードに供給された燃料ガスは、燃料ガス排出通路８８から流出する。燃料ガス排出通路８８には、露点計１０４が設けられている。露点計１０４によれば、膜電極接合体小片６０から流出してくる燃料ガスの湿度を正確に測定することができる。

膜電極接合体小片６０には、冷却水供給通路１０６及び冷却水排出通路１０８が連通している。冷却水排出通路１０８には、温度計１１０が設けられている。図１７に示すシステムは、温度計１１０の計測値をフィードバックすることにより、膜電極接合体小片６０を流れる冷却水の温度を正確に制御することができる。また、このシステムにおいては、その冷却水の温度を、膜電極接合体小片６０の温度として取り扱うことができる。

図１７に示すシステムは、更に、膜電極接合体小片６０のアノード側電極とカソード側電極とを結ぶ測定回路１１２を備えている。測定回路１１２には、電流計１１４と可変抵抗１１６を備えている。この構成によれば、可変抵抗１１６を調整することで、アノード電極とカソード電極との間に生ずる電位差を所望の値（例えば０．６V、或いは０．８V）に制御した状態で、膜電極接合体小片６０が発する電流量（電流密度I）を計測することができる。

上述した通り、図１４から図１６に示すマップを作成するためには、膜電極接合体を取りまく発電環境を特定することが必要である。具体的には、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、カソード圧力P_Ca、水素濃度、酸素濃度、及び温度Tを特定することが必要である。

アノード相対湿度An_RH、及びカソード相対湿度Ca_RHは、それぞれ下記の演算式により求めることができる。
An_RH＝（燃料ガスの蒸気圧）／（温度Tにおける飽和水蒸気圧）×１００・・・（１）
Ca_RH＝（酸化ガスの蒸気圧）／（温度Tにおける飽和水蒸気圧）×１００・・・（２）

図１７に示すシステムによれば、冷却水温が「温度T」であるから、その温度を決めることで、右辺第２項における「飽和水蒸気圧」を決めることができる。そして、このシステムによれば、バブラー７４，９４の温度を変化させることにより、（１）式の「燃料ガスの湿度」、並びに（２）式の「酸化ガスの湿度」を任意に変化させることができる。従って、図１１に示すシステムによれば、膜電極接合体６０のアノード相対湿度An_RH及びカソード相対湿度Ca_RHを、正確かつ簡単に、任意の値に制御することができる。

また、図１７に示すシステムによれば、コンプレッサ６６の運転状態を制御することで、カソード圧力P_Caを任意の値に制御することができる。更に、調整バルブ７０によって、酸化ガス供給通路６２に流れ込む窒素の量を調整することにより、膜電極接合体小片６０に流れ込む酸化ガス中の酸素濃度も正確に制御することができる。このように、図１７に示すシステムによれば、図１４から図１６に示すマップを設定するにあたって特定するべき全てのパラメータを、容易かつ正確に設定することが可能である。

図３に示す膜電極接合体１２には、それぞれが目標（ＯＣＶ（開回路電圧）〜最高出力電圧）の起電力を発生することが求められる。このため、図１４から図１６に示すマップは、膜電極接合体１２が目標の起電力を発生している状況下での「電流密度I」、「抵抗値R」、及び「水移動量H2O_m」を定義している必要がある。本実施例では、「電流密度I」、「抵抗値R」、及び「水移動量H2O_m」をマップから求めているが、「発電環境」を用いた数式から求めてもよい。

図１７に示すシステムでは、可変抵抗１１６を調整することにより、膜電極接合体小片６０の起電力を調整しながら、電流計１１４により電流密度Iを計測することができる。また、その際の電流と電圧との関係から、膜電極接合体小片６０の抵抗値Rを計算することができる。更に、カソードで生成される水量は、電流密度Iに比例するため、電流密度Iが判れば水生成量が計算できる。そして、カソードに流入する酸化ガスの湿度（つまり水量）と、カソードにおける生成水量と、カソードから流出する酸化ガスの湿度（つまり水量）とが判れば、膜電極接合体小片６０の内部でカソードからアノードに移動する水量H2O_mは計算することができる。

つまり、図１７に示すシステムによれば、膜電極接合体小片６０を取りまく発電環境を適宜変更しながら、電流密度I及び抵抗値Rを計測し、また、水移動量H2O_mを算出することができる。このため、このシステムを用いれば、図１４から図１６に示すマップを、簡単な処理により、極めて正確に設定することが可能である。

図１８は、膜電極接合体１２内の水分布を含む面内状態の予測に用いる仮想的な分割方法を説明するための図である。より具体的には、図１８（Ａ）は、膜電極接合体１２のアノード面を示す斜視図である。膜電極接合体１２の内部には、上述した通り、アノード側及びカソード側の双方に、燃料ガス又は酸化ガスを流通させるためのガス流路が形成されている。本実施形態では、それらのガス流路が、コフロー流路を形成するように、つまり、アノード側の燃料ガスと、カソード側の酸化ガスとが、膜電極接合体１２の一端から他端へ、同じ方向（図１２（Ａ）中に矢印で示す方向）に進むように構成されている。

図１８（Ｂ）は、膜電極接合体１２の一部を帯状に切り出した部分（以下、「帯状部分１２０」と称す）を示す。膜電極接合体１２は、仮想的には、この帯状部分１２０が縦方向に複数連なって構成されたものとみなすことができる。帯状部分１２０において、カソード側の酸化ガス、及びアノード側の燃料ガスは、図１８（Ｂ）中に矢印で示すように、長手方向に向かって互いに平行に流通する。

帯状部分１２０は、図１８（Ｂ）に示すように、反応ガスの流れ方向に並んだｓ個の小領域で構成されているとみなすことができる。本実施形態では、これらの小領域は、図１７に示す膜電極接合体小片６０と同様に、１cm×１cmの大きさを有しているものとする。

膜電極接合体１２を、図１８（Ｂ）に示す小領域に分解して考えた場合、個々の小領域においては、発電環境が均一であるとみなすことができる。また、この場合、ｎ−１番目の小領域（以下、「ｎ−１領域」と称す）における発電環境が判れば、その領域における発電状態を予測することができる。そして、ｎ−１領域における発電環境と発電状態が判れば、ｎ領域における発電環境が予測できる。このため、膜電極接合体１２を図１８（Ｂ）に示すような小領域に区分して考えると、１番目の小領域における発電環境が判れば、以後、順番に、ｓ領域に至るまで、個々の小領域における発電環境と発電状態とを予測することが可能である。

図１９は、ｎ−１領域における発電環境を基礎として、ｎ領域における発電環境を予測する手順を説明するための図である。ｎ−１領域のカソードには、ｎ−２領域のカソードから酸化ガスが流入し、また、ｎ−２領域のカソードに存在する水が流入する。ここでは、ｎ−２領域から流入する酸素量O2(n-1)及び水量H2O_Ca(n-1)が既知であるものとする（符号１２２参照）。

カソード相対湿度Ca_RHは、カソード圧力P_Ca、カソード水量H2O_Ca、酸化ガス量（窒素量N2＋酸素量O2）から次式によって算出することができる。
Ca_RH＝[P_Ca×H2O_Ca／{(N2＋O2)＋H2O_Ca}]／（飽和水蒸気圧）×１００
・・・（３）

上記（３）式右辺に含まれる全てのパラメータは、下記の通り、ｎ−１領域において特定することが可能である。従って、ｎ−１領域のカソード相対湿度Ca_RHは、上記（３）式を用いることにより算出することができる（符号１２４参照）。
・カソード圧力P_Ca(n-1)は、膜電極接合体１２のカソード側入口及び出口における圧力計７３０、７３２の測定値から比例計算による求めることができる（符号１２５参照）。
・水量H2O_Ca(n-1)は、上記の通り既知である。
・N2は、流通過程で一定とみなせるため膜電極接合体１２に流入する空気流量から算出することができる。
・酸素量O2(n-1)は、上記の通り既知である。
・飽和水蒸気圧は、温度計７８５、７９０により検知される温度Tから特定することができる。

酸化ガス中の酸素濃度は、窒素量N2及び酸素量O2から、次式に従って算出することができる。
酸素濃度＝O2／(N2＋O2) ・・・（４）
従って、ｎ−１領域における酸素濃度（O2濃度(n-1)）は、膜電極接合体１２に流入する窒素量N2と、ｎ−２領域から流入してくる酸素量O2(n-1)から算出することができる（符号１２６参照）。

ｎ−１領域のアノードには、ｎ−２領域のアノードから燃料ガスが流入し、また、ｎ−２領域のアノードに存在する水が流入する。ここでは、ｎ−２領域から流入してくる水素量H2(n-1)及び水量H2O_An(n-1)が既知であるものとする（符号１２８参照）。

アノード相対湿度An_RHは、アノード圧力P_An、アノード水量H2O_An、水素量H2から次式によって算出することができる。
An_RH＝{P_An×H2O_An／(H2＋H2O_An)}／（飽和水蒸気圧）×１００・・・（５）

上記（５）式右辺に含まれる全てのパラメータは、下記の通り、ｎ−１領域において特定することが可能である。従って、ｎ−１領域のアノード相対湿度Ca_Anは、上記（５）式を用いることにより算出することができる（符号１３０参照）。
・アノード圧力P_An(n-1)は、膜電極接合体１２のアノード側入口及び出口における圧力計６８５、６８７の測定値から比例計算により求めることができる（符号１３１参照）。
・水量H2O_An(n-1)、及び水素量H2(n-1)は、上記の通り既知である。
・飽和水蒸気圧は、温度計７８５、７９２により検知される温度Tから特定することができる。

アノード相対湿度An_RH(n-1)（１３０）、カソード相対湿度Ca_RH(n-1)（１２４）、及びO2濃度(n-1)（１２６）が判ると、図１４（Ａ）に示すマップから、カソード圧力P_Ca＝１４０kPaの下での電流密度Iを読み出すことができる。また、図１４（Ｂ）に示すマップから、カソード圧力P_Ca＝２００kPaの下での電流密度Iを読み出すことができる。

他方、ｎ−１領域におけるカソード圧力P_Ca(n-1)は、上述した通り、圧力計７３０、７３２の計測値を用いた比例計算により求めることができる。電流密度Iは、カソード圧力P_Caに対して比例的な関係を示すため、ｎ−１領域の電流密度I(n-1)は、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）に示すマップからそれぞれ読み出した電流密度Iに基づいて、比例計算により算出することができる（符号１３２参照）。

同様に、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示すマップを参照することで、ｎ−１領域における抵抗値Rを算出することができる（符号１３４参照）。更に、図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）に示すマップを参照することで、ｎ−１領域における水移動量H2O_mを算出することができる（符号１３６参照）。

膜電極接合体１２のカソード側では、電流密度Iに応じた量の酸素が消費される。この酸素消費量O2_offは、次式により算出することができる。但し、次式におけるFはファラデー定数である。
O2_off＝I／４／F×２２．４×６０ ・・・（６）

従って、ｎ−１領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域におけるカソード側の酸素消費量O2_0ff(n-1)を求めることができる（符号１３８参照）。そして、ｎ−１領域から流出してn領域に流入する酸素量O2(n)は、ｎ−１領域に流入してくる酸素量O2(n-1)から、ｎ−１領域で消費される酸素量O2_off(n-1)を減じた量となるから、次式により求めることができる（符号１４０参照）。
O2(n)＝O2(n-1)−O2_off(n-1) ・・・（７）

また、膜電極接合体１２のカソード側では、電流密度Iに応じた量の水が生成される。この生成水量H2Oは、次式により算出することができる。
H2O＝I／２／F×２２．４×６０ ・・・（８）

従って、ｎ−１領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域のカソードで生成される水量H2O (n-1)を求めることができる（符号１４２参照）。そして、ｎ−１領域から流出してｎ領域のカソードに流入する水の量H2O_Ca(n)は、ｎ−１領域に流入してくる水量H2O_Ca(n-1)とｎ−１領域で生成される水量H2O(n-1)との和から、ｎ−１領域においてカソードからアノードに移動する水量H2O_m(n-1)を減じた量であるから、次式により求めることができる（符号１４４参照）。
H2O_Ca(n)＝H2O_Ca(n-1)＋H2O(n-1)−H2O_m(n-1) ・・・（９）

次に、アノード側の発電状態の予測について説明する。すなわち、膜電極接合体１２のアノード側では、電流密度Iに応じた量の水素が消費される。この水素消費量H2_offは、次式により算出することができる。
H2_off＝I／２／F×２２．４×６０ ・・・（１０）

従って、ｎ−１領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域におけるアノード側の水素消費量H2_0ff(n-1)を求めることができる（符号１４６参照）。そして、ｎ−１領域から流出してｎ領域に流入する水素量H2(n)は、ｎ−１領域に流入してくる水素量H2(n-1)から、ｎ−１領域で消費される水素量H2_off(n-1)を減じた量となるから、次式により求めることができる（符号１４８参照）。
H2(n)＝H2(n-1)−H2_off(n-1) ・・・（１１）

アノードの水量は、カソード側から移動してくる水量だけ増加する。このため、ｎ−１領域から流出してｎ領域のアノードに流入する水の量H2O_An(n)は、ｎ−１領域に流入してくる水量H2O_An(n-1)に、ｎ−１領域における水移動H2O_m(n-1)を加えた量となる。この水量H2O_An(n)は、次式により求めることができる（符号１５０参照）。
H2O_An(n)＝H2O_An(n-1)＋H2O_m(n-1) ・・・（１２）

以上説明した通り、上記の処理によれば、ｎ−１領域の発電環境が判れば、この領域における発電状態を予測することができる。より具体的には、以下の値が判ればｎ−１領域における電流密度I(n-1)、抵抗値R(n-1)、及び水移動量H2０_mを算出することができる。
・n-1領域のカソードに流入する酸素量O2(n-1)、水量H2０_Ca(n-1)
・n-1領域のアノードに流入する水素量H2(n-1)、水量H2O_An(n-1)
・n-1領域のカソード圧力P_Ca、アノード圧P_An

また、ｎ−１領域の発電環境に、上記の処理により予測される発電状態を反映させると、次段のｎ領域における発電環境を特定することができる。このため、以上の処理によれば、１番目の小領域における発電環境さえ特定できれば、ｓ領域に至るまで、個々の小領域における発電環境及び発電状態を、順次演算により求めることができる。

図２に示すシステムにおいて、１番目の領域のカソードに流入する酸素量O2(1)は、コンプレッサ７０５によって圧送される空気の量に、空気中の酸素濃度（既知）を掛け合わせることで求めることができる。１番目の領域のカソードに流れ込む水量H2０_Ca(1)は、カソード側の露点計７３５の出力に基づいて算出することができる。

また、１番目の領域のアノードに流入する水素量H2(1)は、流量計６９５に基づいて検知することができる。１番目の領域のアノードに流れ込む水量H2O_An(1)は、アノード側の露点計６９０の出力に基づいて算出することができる。

更に、１番目の領域のカソード圧力P_Caは、カソード入口の圧力計７３０の出力と、カソード出口の圧力計７３２の出力とを基礎として比例計算を行うことで算出することができる。同様に、１番目の領域のアノード圧力P_Anは、アノード入口の圧力計６８５の出力と、アノード出口の圧力計６８７の出力とを基礎として比例計算を行うことで算出することができる。

このように、図２に示すシステムによれば、１番目の領域における発電状態を予測するために必要な全ての数値を取得することが可能である。従って，本実施形態のシステムでは、膜電極接合体１２の１領域からs領域のそれぞれが、どのような発電環境の下で、どのような発電状態にあるのかを、演算により予測することができる。

図２０は、制御部５３０が実行するルーチンのフローチャートである。図２０に示すルーチンでは、先ず、領域番号ｎに１がセットされる（ステップＳ２１６０）。

次に、領域ｎのカソード状態量が算出される（ステップＳ２１６２）。具体的には、ｎ＝１の領域を対象として、カソードに流入する酸素量O2(n)及び水量H2０_Ca(n)が算出される（図１９中、符号１２２参照）。次いで、圧力計７３０、７３２の出力を基礎とする比例計算によりカソード圧力P_Ca(n)が算出される（図１９中、符号１２５参照）。更に、上記（３）式に従ってカソード相対湿度Ca_RH(n)が、また、上記（４）式に従ってカソードの酸素濃度O2濃度(n)が、それぞれ算出される（図１９中、符号１２４，１２６参照）。

図２０に示すルーチンでは、次に、領域ｎのアノード状態量が算出される（ステップＳ２１６４）。具体的には、ｎ＝１の領域を対象として、アノードに流入する水素H2(n)及び水量H2０_An(n)が算出される（図１９中、符号１２８参照）。次いで、圧力計６８５、６８７出力を基礎とする比例計算によりアノード圧力P_An(n)が算出される（図１９中、符号１３１参照）。更に、上記（５）式に従ってアノード相対湿度An_RH(n)が算出される（図１９中、符号１３０参照）。

次に、ｎ領域における発電状態が算出される（ステップＳ２１６６）。具体的には、先ず、図１４（Ａ）に示すマップ、及び図１４（Ｂ）に示すマップから、それぞれ、電流密度Iが読み出される。次に、図１４（Ａ）に示すマップからは、カソード圧力P_Caが１４０kPaである場合の電流密度Iが読み出される。また、図１４（Ｂ）に示すマップからは、カソード圧力P_Caが２００kPaである場合の電流密度Iが読み出される。本ステップでは、それらのマップ値に比例計算を施すことで、カソード圧P_Ca(n)に対応する電流密度Iが算出される（図１９中、符号１３２参照）。

上記ステップＳ２１６６では、また、図１５（Ａ）に示すマップ、及び図１５（Ｂ）に示すマップを参照して、抵抗値R(n)が算出される（図１９中、符号１３４参照）。更に、ここでは、図１６（Ａ）に示すマップ、及び図１６（Ｂ）に示すマップを参照して、水移動量H2O_m(n)が算出される（図１９中、符号１３６参照）。２つのマップ値からカソード圧P_Ca(n)に応じた抵抗値R(n)及び水移動量H2O_m(n)を算出する手法は、電流密度Iの場合と同様であるため、ここではその詳細は省略する。

次に、ｎ領域における生成・消費量が算出される（ステップＳ２１６８）。具体的には、カソード側で消費される酸素量O2_off(n)が上記（６）式に従って、また、生成される水の量H2O(n)が上記（８）式に従って、それぞれ算出される（図１９中、符号１３８、１４２参照）。更に、アノード側で消費される水素量H2_off(n)が、上記（１０）式に従って算出される（図１９中、符号１４６参照）。

以上の処理が終わると、領域番号ｎが、最終値ｓに達しているかが判別される（ステップＳ２１７０）。その結果、ｎがｓに達していないと判断された場合は、ｎがインクリメントされた後（ステップＳ２１７２）、再び、上記ステップＳ２１６２以降の処理が実行される。

ｎが２以上である場合、ステップＳ２１６２では、カソードの酸素量O2(n)及び水量H2O_Caが、それぞれ上記（７）式又は（９）式に従って算出される（図１９中、符号１４０，１４４参照）。また、この場合は、ステップＳ２１６４において、アノードの水素量H2(n)及び水量H2O_Anが、それぞれ上記（１１）式又は（１２）式に従って算出される。

以後、ステップＳ２１７０において、ｎ＝ｓの成立が判定されるまで、上記の処理が繰り返し実行される。その結果、１番目の領域からｓ領域まで、全ての領域において、発電環境と、発電状態とが算出される。つまり、以上の処理によれば、上記の小領域をメッシュの単位として、膜電極接合体１２の発電環境及び発電状態の分布を予測することができる。

ところで、上述した実施の形態においては、膜電極接合体１２の温度が、全面において均一であることとしているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、膜電極接合体１２の温度が面内で分布を持つ場合には、その分布を考慮して発電状態の分布を予測することとしてもよい。温度分布を考慮した予測は、例えば、以下のような手法により実現することができる。

電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mに関するマップを、複数の温度についてそれぞれ準備する。それぞれのマップは、膜電極接合体小片６０の温度を変えて（図１７参照）電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mを測定することで設定する。膜電極接合体１２の個々の小領域における温度は、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域の温度に、当該領域の発熱量を反映させることにより予測する。発熱量は、当該領域の電流密度Iに基づいて算出する。当該領域の温度が判ったら、温度別に準備された複数のマップから読み出したマップ値を基礎として、比例計算により、当該領域の温度に対応する電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mを算出する。

また、上述した実施の形態においては、膜電極接合体１２の抵抗値Rの分布をも予測することとしているが、抵抗値Rの予測は、必要がなければ省略してもよい。

また、上述した実施の形態においては、マップ設定の作業を簡単化するために膜電極接合体小片１２を用いた測定（図１７参照）を行うこととしているが、図１４から図１６に示すマップを設定する手法は、これに限定されるものではない。例えば、膜電極接合体１２を計測の対象としてマップ設定の作業を行うこととしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、燃料電池１０のアノードに加湿された水素ガスが供給される場合に備えて、アノード側の入口にも露点計６９０を配置することとしているが、この発明はこれに限定されるものではない。すなわち、アノードに供給する燃料ガスが加湿されない場合には、上記の露点計６９０は省略することとしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、アノード圧P_Anを予測するために、入口と出口の２カ所に圧力計６８５、６８７を配置することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、膜電極接合体１２内部での圧力分布は、入口及び出口の一方で圧力が判れば推定することが可能である。このため、アノード側の圧力計は、入口側及び出口側の何れか一方にのみ配置することとしてもよい。この点は、カソード側の圧力計についても同様である。

尚、上述した実施の形態においては、制御部５３０が、図１４に示すマップを記憶していることにより「発電特性記憶手段」が実現されている。また、制御部５３０が、上記（６）式、（８）式、及び（１０）式を記憶していることにより「消費生成特性記憶手段」が実現されている。また、コンプレッサ７０５、加湿装置７２０、レギュレータ６７５及び燃料ガスタンク６５５が「入口環境決定手段」に相当している。また、制御部が、膜電極接合体１２を上記の小領域に区分して演算処理を進めることにより「小領域定義手段」が実現されている。また、制御部５３０が、ステップＳ２１６６において電流密度I(n)を算出することにより「発電量算出手段」が、ステップＳ２１６８の処理を実行することにより「消費生成量算出手段」が、それぞれ実現されている。更に、制御部５３０が、ステップＳ２１６２において、上記（７）式及び（９）式によりO2(n)及びH2O_Ca(n)を算出し、かつ、ステップＳ２１６６において、上記（１１）式及び（１２）式によりH2(n)及びH2O_An(n)を算出することにより「発電環境更新手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態においては、制御部５３０が、図１５に示すマップを記憶していることにより「抵抗特性記憶手段」が実現されている。また、制御部５３０が、ステップＳ２１６６において抵抗値R(n)を算出することにより「抵抗値算出手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態においては、制御部５３０が、図１６に示すマップを記憶していることにより「水移動特性記憶手段」が実現されている。また、制御部が、ステップＳ２１６６において水移動量H2O_m(n)を算出することにより「水移動量算出手段」が実現されている。更に、制御部５３０が、ステップＳ２１６２において、上記（９）式によりH2O_Ca(n)を算出することにより「カソード水量更新手段」が、ステップＳ２１６４において、上記（１２）式によりH2O_An(n)を算出することにより「アノード水量更新手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態においては、制御部５３０が、ステップＳ２１６６において、上記（６）式に従って酸素消費量O2_off(n)を算出することにより「酸素消費量算出手段」が、上記（１０）式に従って水素消費量H2_off(n)を算出することにより「水素消費量算出手段」が、それぞれ実現されている。更に、制御部５３０が、ステップＳ２１６２において、上記（７）式によりO2(n)を算出することにより「酸素量更新手段」が、ステップＳ２１６４において、上記（１１）式によりH2(n)を算出することにより「水素量更新手段」が、それぞれ実現されている。

次に、図２１乃至図２４を参照して、膜電極接合体１２の酸化ガス流路と燃料ガス流路がカウンター流路を形成する場合について説明する。上述の実施の形態では、膜電極接合体１２の酸化ガス流路と燃料ガス流路がコフロー流路を形成している。つまり、上述の実施の形態では、カソード側の酸化ガスと、アノード側の燃料ガスが、同じ方向に向かって流通する。この場合、アノード側でもカソード側でも、n-1領域の発電環境及び発電状態が、ｎ領域の発電環境を決めることになる。このため、上述の実施の形態のシステムでは、アノード入口の状態と、カソード入口の状態とに基づいて、１番目の領域における発電環境及び発電状態を予測することが可能であり、以後、ｓ領域に至るまで、小領域毎に発電環境と発電状態を、順次予測することが可能である。

しかしながら、カソード側の燃料通路とアノード側の燃料通路がカウンター流路を形成する場合は、カソードの入口が１番目の領域につながっているとすれば、アノードの入口はｓ領域につながることになる。この場合、カソード側では、n-1領域の状態がｎ領域の状態を決めることとなり、他方、アノード側では、n+1領域の状態がｎ領域の状態を決めることになる。

例えば、カソード及びアノードの双方において、入口に隣接する小領域から予測を始めるとすれば、カソード側では、先ず、カソード入口の状態に基づいて１番目の小領域の発電状態が予測される。他方、アノード側では、そのタイミングにおいて、アノード入口の状態に基づいて、ｓ領域の発電状態が予測される。つまり、このタイミングにおいて、１番目の領域については、カソード側の発電環境は予測できるが、アノード側の発電環境が予測できないという事態が生ずる。ｓ領域においては、その逆の状況が生ずる。

図１９を参照して説明した通り、ある小領域（(n-1)領域とする）における電流密度I(n-1)、抵抗値R(n-1)、水移動量H2O_m(n-1)は、その領域におけるカソード側の環境と、アノード側の環境が共に特定されていない限りは予測することができない。また、電流密度I(n-1)及び水移動量H2O_m(n-1)が定まらなければ、(n-1)領域における酸素消費量O2_off(n-1)、水素消費量H2_off(n-1)、並びに生成水量H2O(n-1)は予測することができない。このため、酸化ガス通路と燃料ガス通路がカウンター流路を形成する場合は、上述の実施の形態と同じ手法によっては、複数の小領域の全てについて、発電環境と発電状態を順次予測することはできない。

図２１及び図２２は、酸化ガス通路と燃料ガス通路がカウンター流路を形成する場合に、個々の小領域の発電環境及び発電状態を予測するための手法を説明するための図である。より具体的には、図２１は、カソード側の発電環境と発電状態を順次予測するための手法を説明するための図である。また、図２２は、アノード側の発電環境と発電状態を順次予測するための手法を説明するための図である。

本実施形態において、制御部５３０は、カソードメモリ領域（図２１（Ａ）、図２２（Ｃ）参照）と、アノードメモリ領域（図２１（Ｃ）及び図２２（Ａ）参照）を有している。カソードメモリ領域は、個々の小領域におけるカソード相対湿度Ca_RHとO2濃度を記憶するための領域である。他方、アノードメモリ領域は、個々の小領域におけるアノード相対湿度An_RHを記憶するための領域である。

図２１に示すように、制御部５３０は、アノードメモリ領域に、個々の小領域に対応するアノード相対湿度An_RHを記憶している。図１９を参照して説明した通り、ある小領域（i領域とする）の電流密度I(i)、抵抗値R(i)及び水移動量H2O_m(i)は、カソード側の発電環境に加えて、アノード相対湿度An_RH(i)が特定できれば算出することができる。このため、i領域におけるカソード側の発電環境が特定できれば、アノードメモリ領域からアノード相対湿度An_RH(i)を読み出してくることで、i領域の発電状態を予測し、更に、次段に位置する(i+1)領域の発電環境を予測することが可能である。そして、この処理を繰り返すことにより、１番目の小領域からｓ領域に至るまで、全ての小領域における発電環境と発電状態を順次予測することができる。

本実施形態において、制御部５３０は、上述した手法によって、カソード側の酸化ガスの流れに沿う順番で、個々の小領域におけるカソード側の発電環境と、個々の小領域における発電状態とを演算する。この演算の過程では、それぞれの小領域(i)において、カソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)が算出される。制御部は、図２１に示すように、このようにして算出されたカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を、次段のデータとして、つまり、i+1領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する。

図２２は、制御部５３０が、カソードメモリ領域に記憶されているカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度を用いて、アノード側の状態を順次計算する手順を示している。すなわち、制御部５３０は、i領域において、アノード側の発電環境と共に、カソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)が特定できれば、電流密度I(i)、抵抗値R(i)及び水移動量H2O_m(i)算出することができる。このため、i領域におけるアノード側の発電環境が特定できれば、カソードメモリ領域からカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を読み出してくることで、i領域の発電状態を予測し、更に、その前段に位置する (i-1) 領域の発電環境を予測することが可能である。そして、この処理を繰り返すことで、ｓ領域から１番目の領域に至るまで、全ての小領域における発電環境と発電状態を順次予測することができる。

本実施形態において、制御部は、上述した手法によって、アノード側の燃料ガスの流れに沿う順番で、個々の小領域におけるアノード側の発電環境と、個々の小領域における発電状態とを演算する。この演算の過程では、それぞれの小領域(i)において、アノード相対湿度An_RH(i)が算出される。制御部５３０は、図２２に示すように、このようにして算出されたアノード相対湿度An_RH(i)を、前段のデータとして、つまり、i-1領域のデータとしてアノードメモリ領域に記憶する。

上述した通り、本実施形態において、制御部５３０は、発電環境と発電状態を順次予測する処理を、カソード側とアノード側の双方で並行して実行する。そして、カソード側の処理は、１サイクル前にアノードメモリ領域に記憶されたアノード相対湿度An_RHを用いて実行される。他方、アノード側の処理は、１サイクル前にカソードメモリ領域に記憶されたカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度を用いて行われる。

従って、時刻t1において、カソード側では、時刻t1におけるカソード側の発電環境と、時刻t1から１サイクル分だけ遡った時刻t0におけるアノード相対湿度An_RHとを用いた予測処理が実行される。同様に、アノード側では、時刻t1におけるアノード側の発電環境と、時刻t0におけるカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度による予測処理が実行される。

本実施形態では、上述した時間差の影響を排除するため、i領域で得られたカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を(i+1)領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する。カソード側では、酸化ガスの流れに伴い、i領域の状態が時間の経過によって後段側に移行する事態が生ずる。このため、i領域で得られたデータをi+1領域のデータとして記憶すると、上述した１サイクル分の時間差の影響を抑制することができる。同様の理由により、本実施形態の手法によれば、アノード側においても、１サイクル分の時間差の影響を十分に抑えることができる。従って、本実施形態のシステムによれば、カソード側の処理、及びアノード側の処理のそれぞれにより、精度良く発電環境及び発電状態を予測することができる。

図２３は、本実施形態において、制御部５３０が実行するルーチンのフローチャートである。図２３に示すルーチンでは、先ず、領域番号の初期化が行われる（ステップＳ２１８０）。具体的には、カソード側の処理対象を示す領域番号ｎに１がセットされる。また、アノード側の処理対象を示す領域番号Ｎにｓがセットされる。

次に、ｎ領域（１番目の領域）のカソード状態量が算出される（ステップＳ２１８２）。本ステップＳ２１８２では、図２０に示すステップＳ２１６２と同様の処理により、カソードにおける酸素量O2(ｎ)、水量H2O_Ca(ｎ)、カソード相対湿度Ca_RH(ｎ)、O2濃度(ｎ)及びカソード圧力P_Ca(ｎ)が算出される（図１９中、符号１２２、１２４，１２５、１２６参照）。

次に、アノードメモリ領域から、ｎ領域に対応するアノード相対湿度An_RH(n)が読み出される（ステップＳ２１８４）。

次いで、ｎ領域における発電状態が算出される（ステップＳ２１８６）。図１９を参照して説明した通り、カソード側の発電環境に加えて、アノード相対湿度An_RH(n) （図１９中、符号１３０参照）が決まれば、図２乃至図４に示すマップから、電流密度I(ｎ)、抵抗値R(ｎ)、及び水移動量H2O_m(ｎ)を読み出すことができる。ここでは、上記ステップＳ２１８２及びＳ２１８４の処理により特定されたパラメータに基づいて、マップからそれらの値が読み出される。

次に、カソード側で消費される酸素量O2_off(ｎ)、及びカソード側で生成される水量H2O(n)が算出される（ステップＳ２１８８）。酸素消費量O2_off(n)は、上記（６）式に従って算出される。また、水生成量H2O(n)は上記（８）式に従って算出される（図１９中、符号１３８、１４２参照）。

次に、Ｎ領域（ｓ領域）のアノード状態量が算出される（ステップＳ２１９０）。本ステップＳ２１９０では、図８に示すステップＳ２１６４と同様の処理により、アノードにおける水素量H2(Ｎ)、水量H2O_An(Ｎ)、アノード相対湿度An_RH(Ｎ)、及びアノード圧力P_Ca(Ｎ)が算出される（図１９中、符号１２８、１３０，１３１参照）。

次に、カソードメモリ領域から、Ｎ領域に対応するカソード相対湿度Ca_RH(Ｎ)が読み出される（ステップＳ２１９２）。更に、カソード側の圧力計７３０，７３２の出力に基づいてカソード圧力P_Ca(Ｎ)が算出される（ステップＳ２１９３）。

続いて、Ｎ領域における発電状態が算出される（ステップＳ２１９４）。図１９を参照して説明した通り、アノード側の発電環境に加えて、カソード相対湿度Ca_RH(Ｎ)、カソード圧力P_Ca(Ｎ)及びO2濃度(Ｎ)が決まれば（図１９中、符号１２４、１２５、１２６参照）、図１４乃至図１６に示すマップから、電流密度I(Ｎ)、抵抗値R(Ｎ)、及び水移動量H2O_m(Ｎ)を読み出すことができる。ここでは、上記ステップＳ２１９０〜Ｓ２１９３の処理により特定されたパラメータに基づいて、マップからそれらの値が読み出される。

次に、アノード側で消費される水素量H2_off(Ｎ)が算出される（ステップＳ２１９６）。水素消費量H2_off(Ｎ)は、上記（１０）式に従って算出される（図１９中、符号１４６参照）。

以上の処理が終わると、カソード側の領域番号ｎがｓに達しているか、及びアノード側の領域番号Ｎが１に達しているかが判別される（ステップＳ２１９８）。その結果、この判定が否定された場合は、ｎがインクリメントされ、かつ、Ｎがデクリメントされた後（ステップＳ２２００）、再び、上記ステップＳ２１８２以降の処理が実行される。

ｎが２以上である場合、ステップＳ２１８２では、カソードの酸素量O2(n)及び水量H2O_Caが、それぞれ上記（７）式又は（９）式に従って算出される（図１９中、符号１４０，１４４参照）。また、この場合は、ステップＳ２１９０において、アノードの水素量H2(n)及び水量H2O_Anが、それぞれ上記（１１）式又は（１２）式に従って算出される。

以後、ステップＳ２１９８において、ｎ＝ｓ、Ｎ＝１の成立が判定されるまで、上記の処理が繰り返し実行される。その結果、１番目の領域からｓ領域まで、全ての領域において、発電環境と、発電状態とが算出される。

上記の処理が繰り返され、カソード側及びアノード側の双方で１サイクルの処理が終わると、ステップＳ２１９８の条件が成立する。この場合、制御部５３０は、次に、i領域（i＝１〜ｓ）のカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を、(i+1)領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する（ステップＳ２２０２）。

更に、制御部５３０は、i領域（i＝１〜ｓ）のアノード相対湿度An_RH(i)を、(i-1)領域のデータとしてアノードメモリ領域に記憶する（ステップＳ２２０４）。以上の処理により、図２１を参照して説明した処理が実現される。その結果、次回の処理サイクル時に、カソード側及びアノード側の双方で、精度良く発電環境及び発電状態を予測するための準備が整えられる。

図２３に示すルーチンによると、ステップＳ２１８６では、カソード側の発電環境がリアルタイムに反映された発電状態が算出される。また、上記ステップＳ２１９４では、アノード側の発電環境がリアルタイムに反映された発電状態が算出される。これら２つの発電状態は、予測演算が繰り返されることにより、やがては実質的に同じ値に収束する。そして、両者が同じ値に収束した時点での発電環境及び発電状態の分布は、定常状態における分布として認識することができる。このため、本実施形態のシステムを用いる場合は、ステップＳ２１８６で得られる発電状態と、ステップＳ２１９４で得られる発電状態とが同等となった時点で予測演算を終了することとしてもよい。

図２４は、本実施形態のシステムが実行した分布予測の結果である。図２４において、例えば、O2濃度は、カソード入口から遠ざかるに連れて、ほぼ比例的に低下している。また、電流密度Iは、カソード入口から遠ざかるに従って、一端増加した後減少する傾向を示している。これらは、膜電極接合体１２において、現実に生ずる傾向と精度良く一致している。図２４に示す他の値（抵抗値R、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH）についても同様である。これらの予測結果が示すように、本実施形態のシステムは、膜電極接合体１２の面内に生ずる分布を正確に予測することができる。

尚、上述した実施の形態においては、制御部５３０が、ステップＳ２１８６及びＳ２１９４において電流密度I(n)を算出することにより「発電量算出手段」が、ステップＳ２１８８及びＳ２１９６の処理を実行することにより「消費生成量算出手段」が、それぞれ実現されている。更に、制御部５３０が、ステップＳ２１８２において、上記（７）式及び（９）式によりO2(n)及びH2O_Ca(n)を算出し、かつ、ステップＳ２１９０において、上記（１１）式及び（１２）式によりH2(n)及びH2O_An(n)を算出することにより「発電環境更新手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態においては、制御部５３０が、ステップＳ２１８６及びＳ２１９４において抵抗値R(n)を算出することにより「抵抗値算出手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態においては、制御部５３０が、ステップＳ２１８６及びＳ２１９４において水移動量H2O_m(n)を算出することにより「水移動量算出手段」が実現されている。更に、制御部５３０が、ステップＳ２１８２において、上記（９）式によりH2O_Ca(n)を算出することにより「カソード水量更新手段」が、ステップＳ２１９０において、上記（１２）式によりH2O_An(n)を算出することにより「アノード水量更新手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態においては、制御部５３０が、ステップＳ２１８８において、上記（６）式に従って酸素消費量O2_off(n)を算出することにより「酸素消費量算出手段」が、上記（１０）式に従って水素消費量H2_off(n)を算出することにより「水素消費量算出手段」が、それぞれ実現されている。更に、制御部５３０が、ステップＳ２１８２において、上記（７）式によりO2(n)を算出することにより「酸素量更新手段」が、ステップＳ２１９０において、上記（１１）式によりH2(n)を算出することにより「水素量更新手段」が、それぞれ実現されている。

以上のように、第４の実施例によれば、燃料ガスと酸化ガスとの流れが、コフロー、あるいはカウンターフロー、いずれであっても、容易に水分布を取得することが可能となる。

なお、上記説明では、制御部５３０による制御を中心に説明したが、例えば、アノード電極６３０の触媒の量について、アノード出口部の量を他の場所よりも増量してもよい。これにより、各実施例における制御部５３０のドライアップに対する対応の効果を向上させることが可能となる。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池
１２…膜電極接合体
６０…膜電極接合体
６２…酸化ガス供給通路
６４…酸化ガス排出通路
６６…コンプレッサ
６８…エアフィルタ
７０…調整バルブ
７２…窒素タンク
７４…バブラー
７６…ヒータ
７８…温度計
８０…圧力計
８２…ヒータ
８４…露点計
８６…燃料ガス供給通路
８８…燃料ガス排出通路
９０…調整バルブ
９２…水素タンク
９４…バブラー
９６…ヒータ
９８…温度計
１００…圧力計
１０２…ヒータ
１０４…露点計
１０６…冷却水供給通路
１０８…冷却水排出通路
１１０…温度計
１１２…測定回路
１１４…電流計
１１６…可変抵抗
１２０…帯状部分
５００…車両
５１０…燃料電池
５３０…制御部
５３５…要求出力検知部
５４０…二次電池
５５０…分配コントローラ
５６０…駆動モータ
５７０…ドライブシャフト
５８０…分配ギア
５９０…車輪
６００…燃料電池スタック
６０５…電流電圧計
６１０…単セル
６２０…電解質膜
６３０…アノード電極
６３５…カソード電極
６４０…アノードガス流路
６４５…カソードガス流路
６５０…燃料ガス供給系
６５５…燃料ガスタンク
６６０…燃料ガス供給管
６６５…燃料ガス排気管
６７０…開閉バルブ
６７５…レギュレータ
６８０…燃料ガスポンプ
６８５…圧力計
６８７…圧力計
６９０…露点計
６９５…流量計
７００…酸化ガス供給系
７０５…コンプレッサ
７１０…酸化ガス供給管
７１５…酸化ガス排気管
７２０…加湿装置
７２５…背圧弁
７３０…圧力計
７３２…圧力計
７３５…露点計
７４０…流量計
７４５…第２の燃料ガス排気管
７４７…排気弁
７５０…冷却系
７５５…ポンプ
７６０…冷却水供給管
７６５…冷却水排出管
７７０…ラジエータ
７７５…冷却水還流管
７８０…ロータリー弁
７８５…温度計
７９０…温度計

Claims (7)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
   前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化ガスの供給を制御する制御部と、
   を備え、
   前記燃料電池中の前記酸化ガスの流れと前記燃料ガスの流れは、対向流であり、
   前記制御部は、前記燃料電池のアノード出口における燃料電池のドライアップを検知した場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を上げる、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池の電圧とインピーダンスとを取得する測定手段を備え、
   前記制御部は、前記電圧が燃料電池の動作電圧以上の電圧であってあらかじめ定められた電圧以下であり、かつ、前記インピーダンスがあらかじめ定められた第１のインピーダンス値よりも大きい場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を上げる、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、
   前記インピーダンスが、前記第１のインピーダンス値よりも大きく、かつ前記第１のインピーダンス値よりも大きな第２のインピーダンス値よりも小さい場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を上げ、
   前記インピーダンス値が前記第２のインピーダンス値よりも大きい場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を下げる、
   燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記燃料電池内の水分布を取得し、前記燃料電池のアノード出口における燃料電池においてドライアップを検知した場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガス中の水素の分圧を上げる、燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池は、
   アノード及びカソードのそれぞれに反応ガスの供給を受けることにより発電を行う膜電極接合体と、
   前記反応ガスの入口における発電環境を決定する入口環境決定手段と、
   を有しており、
   前記制御部は、
   前記膜電極接合体の発電量と発電環境との関係を定めた発電特性を記憶する発電特性記憶手段と、
   前記膜電極接合体の反応ガス消費量及び水生成量と前記発電量との関係を定めた消費生成特性を記憶した消費生成特性記憶手段と、
   前記膜電極接合体を、仮想的に、前記反応ガスの流れに沿って並んだ複数の小領域に区分する小領域定義手段と、
   前記複数の小領域のそれぞれにおける発電量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて、前記発電特性に従って算出する発電量算出手段と、
   前記複数の小領域のそれぞれにおける反応ガス消費量及び水生成量を、当該小領域で生成された発電量に基づいて、前記消費生成特性に従って算出する消費生成量算出手段と、
   前記複数の小領域のそれぞれが生成する発電環境を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に、当該小領域における反応ガス消費量及び水生成量を反映させることにより算出する発電環境更新手段と、
   前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量と発電環境との関係を定めた水移動特性を記憶する水移動特性記憶手段と、
   前記複数の小領域のそれぞれにおける水移動量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて、前記水移動特性に従って算出する水移動量算出手段と、
   を有しており、
   前記発電環境更新手段は、
   反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のカソードに存在する水量と当該小領域における水生成量との和から、当該小領域における水移動量を減ずることで当該小領域のカソードに存在する水量を算出するカソード水量更新手段と、
   反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のアノードに存在する水量に当該小領域における水移動量を加えることで当該小領域のアノードに存在する水量を算出するアノード水量更新手段と、
   を含むことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池から排出される燃料排ガスを還流する還流路を有しており、
   前記制御部は、還流する燃料排ガスの一部を排気することにより、燃料ガス中の水素の分圧を上げる、燃料電池システム。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、燃料ガスの圧力を上げることにより、水素の分圧を上げる、燃料電池システム。

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