JP2013239290A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の滞留水を適切に減少させる燃料電池システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】燃料電池１０の暖機中は、温度センサ３６によって検出される温度、及び／又は、ＥＣＵ６０によって算出される積算電流値に基づいて燃料電池１０の滞留水量を推定し、燃料電池１０の暖機完了後は、インピーダンス計５４によって検出されるインピーダンスに基づいて燃料電池１０の滞留水量を推定し、滞留水量が所定値以上である場合、インタークーラバイパス流路を通流するカソードガスの流量を増加させる第１制御、加湿器バイパス流路を通流するカソードガスの流量を増加させる第２制御、燃料電池１０の温度を上昇させる第３制御、カソードガス供給流路に供給するカソードガスの流量を増加させる第４制御のうち少なくとも一つを実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。

従来、低温（例えば、氷点下）の環境下における燃料電池システムの始動性を向上させるため、燃料電池の暖機を行う技術が知られている。例えば、特許文献１には、暖機中に燃料電池で生成される水分量を検出し、当該水分量に基づいて燃料電池への反応ガス供給量を制限する燃料電池システムについて記載されている。

特許第４８３１４１７号公報

特許文献１に記載の技術では、任意の時刻における燃料電池の出力電圧などに基づいて所定時間後の燃料電池の出力電流を推定し、反応ガス供給量を決定している。しかしながら、暖機中は燃料電池の状態が変化しやすいことから、所定時間後の出力電流を適切に推定することは困難である。
また、暖機中も電極反応により燃料電池で水が生成されるため、凝縮した水が燃料電池に滞留して発電を阻害する虞がある。そして、燃料電池が備える固体高分子膜の膜含水量を超える水が生成されると、当該水（滞留水）により燃料電池の劣化が進み、発電性能が不安定になるという問題がある。

そこで、本発明は、燃料電池の滞留水を適切に減少させる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、アノード流路にアノードガスが供給され、カソード流路にカソードガスが供給されて発電する燃料電池と、前記カソード流路に接続されるカソードガス供給流路に設けられ、カソードガスを冷却する冷却手段と、前記カソードガス供給流路に供給されるカソードガスが、前記冷却手段をバイパスして前記カソード流路に流入するように設けられる第１バイパス流路と、前記第１バイパス流路を通流するカソードガスの流量を調整する第１バイパス流量調整手段と、前記冷却手段よりも下流側の前記カソードガス供給流路に設けられ、カソードガスを加湿する加湿器と、前記カソードガス供給流路に供給されるカソードガスが、前記加湿器をバイパスして前記カソード流路に流入するように設けられる第２バイパス流路と、前記第２バイパス流路を通流するカソードガスの流量を調整する第２バイパス流量調整手段と、冷媒流路に冷媒を循環させて前記燃料電池の温度を調整する温度調整手段と、前記カソードガス供給流路に供給するカソードガスの流量を調整するカソードガス流量調整手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の積算電流値を算出する積算電流値算出手段と、前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記燃料電池の暖機中、前記温度検出手段によって検出される温度、及び／又は、前記積算電流値算出手段によって算出される積算電流値に基づいて前記燃料電池の滞留水量を推定するとともに、前記燃料電池の暖機完了後、前記インピーダンス検出手段によって検出されるインピーダンスに基づいて前記燃料電池の滞留水量を推定する滞留水量推定手段と、を備え、前記滞留水量推定手段によって推定される滞留水量が所定値以上である場合、前記第１バイパス流量調整手段によって前記第１バイパス流路を通流するカソードガスの流量を増加させる第１制御と、前記第２バイパス流量調整手段によって前記第２バイパス流路を通流するカソードガスの流量を増加させる第２制御と、前記温度調整手段によって前記燃料電池の温度を上昇させる第３制御と、前記カソードガス流量調整手段によって前記カソードガス供給流路に供給するカソードガスの流量を増加させる第４制御と、のうち少なくとも一つが実行されることを特徴とする。

かかる構成によれば、燃料電池の暖機中、滞留水量推定手段は、温度検出手段によって検出される温度、及び／又は、積算電流値算出手段によって算出される積算電流値に基づいて燃料電池の滞留水量を推定する。暖機中における燃料電池の温度と滞留水量、燃料電池の積算電流値（出力電流の積算値）と滞留水量とは所定の関係があることから、燃料電池の滞留水量を正確に推定できる。
また、燃料電池の暖機完了後、滞留水量推定手段は、インピーダンス検出手段によって検出されるインピーダンスに基づいて燃料電池の滞留水量を推定する。暖機完了後は、燃料電池の固体高分子膜のプロトン伝導性が安定することから、燃料電池の滞留水量がインピーダンスに反映される。したがって、燃料電池の滞留水量を正確に推定できる。

また、滞留水量推定手段によって推定される滞留水量が所定値以上である場合、第１制御、第２制御、第３制御、及び第４制御のうち少なくとも一つが実行される。
第１制御を実行することで、第１バイパス流量調整手段によって、冷却手段をバイパスして第１バイパス流路を通流するカソードガスの流量が増加する。したがって、カソード流路に流入するカソードガスの温度を上昇させ、燃料電池の滞留水の気化が促進される。
また、第２制御を実行することで、第２バイパス流量調整手段によって、加湿器をバイパスして第２バイパス流路を通流するカソードガスの流量が増加する。したがって、カソード流路に乾燥したカソードガスが流入し、燃料電池の滞留水の気化が促進される。
また、第３制御を実行することで、温度調整手段によって燃料電池の温度が上昇する。したがって、燃料電池の飽和蒸気圧が上昇し、滞留水の気化が促進される。
また、第４制御を実行することで、カソードガス流量調整手段によってカソードガス供給流路に供給するカソードガスの流量が増加する。したがって、カソード流路の滞留水がカソードガスの流れに同伴して排出される。
このように、燃料電池における滞留水の発生を適切に抑制するとともに、発生した滞留水を燃料電池外に適切に排出できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の暖機中、前記滞留水量推定手段によって推定される滞留水量が所定値以上である場合、前記第１制御、前記第２制御、及び前記第３制御が実行され、前記実行後、前記温度検出手段によって検出される温度が所定値以上である場合、及び／又は、前記電流積算値算出手段によって算出される積算電流値が所定値以上である場合、さらに前記第４制御が実行されることが好ましい。

かかる構成によれば、燃料電池の暖機中、滞留水量推定手段によって推定される滞留水量が所定値以上である場合、前記第１制御、前記第２制御、及び前記第３制御が実行され、燃料電池の滞留水の気化が促進される。なお、この段階において前記第４制御は実行されないため、カソードガス流量調整手段による電力消費を抑制できる。
また、前記実行後、温度検出手段によって検出される温度が所定値以上である場合、及び／又は、電流積算値算出手段によって算出される積算電流値が所定値以上である場合、さらに前記第４制御が実行される。したがって、カソード流路の滞留水がカソードガスの流れに同伴して排出される。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の暖機完了後、前記滞留水量推定手段によって推定される滞留水量が所定値以上である場合、前記第１制御及び前記第２制御が実行され、前記実行後、前記インピーダンス検出手段によって検出されるインピーダンスが所定値以下である場合、さらに前記第３制御及び前記第４制御が実行されることが好ましい。

かかる構成によれば、燃料電池の暖機完了後、滞留水量推定手段によって推定される滞留水量が所定値以上である場合、前記第１制御及び前記第２制御が実行されるため、燃料電池の滞留水の気化が促進される。
また、前記実行後、インピーダンス検出手段によって検出されるインピーダンスが所定値以下である場合、さらに前記第３制御及び前記第４制御が実行されるため、燃料電池の滞留水の気化を促進しつつ、カソード流路の滞留水がカソードガスの流れに同伴して排出される。

また、本発明に係る燃料電池の制御方法は、アノード流路にアノードガスが供給され、カソード流路にカソードガスが供給されて発電する燃料電池と、前記カソード流路に接続されるカソードガス供給流路に設けられ、カソードガスを冷却する冷却手段と、前記カソードガス供給流路に供給されるカソードガスが、前記冷却手段をバイパスして前記カソード流路に流入するように設けられる第１バイパス流路と、前記冷却手段よりも下流側の前記カソードガス供給流路に設けられ、カソードガスを加湿する加湿器と、前記カソードガス供給流路に供給されるカソードガスが、前記加湿器をバイパスして前記カソード流路に流入するように設けられる第２バイパス流路と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池の暖機中、前記燃料電池の積算電流値、及び／又は、前記温度検出手段によって検出される前記燃料電池の温度に基づいて前記燃料電池の滞留水量を推定し、前記燃料電池の暖機完了後、前記インピーダンス検出手段によって検出されるインピーダンスに基づいて前記燃料電池の滞留水量を推定する滞留水量推定ステップと、前記滞留水量推定ステップにおいて推定される滞留水量が所定値以上である場合、第１バイパス流量調整手段によって前記第１バイパス流路を通流するカソードガスの流量を増加させる第１制御と、第２バイパス流量調整手段によって前記第２バイパス流路を通流するカソードガスの流量を増加させる第２制御と、温度調整手段によって冷媒流路に冷媒を循環させて前記燃料電池の温度を上昇させる第３制御と、カソードガス流量調整手段によって前記カソードガス供給流路に供給するカソードガスの流量を増加させる第４制御と、のうち少なくとも一つを実行し、前記燃料電池の滞留水を減少させる滞留水減少制御ステップと、を含むことを特徴とする。

かかる構成によれば、滞留水量推定ステップにおいて燃料電池の滞留水量を正確に推定し、滞留水減少制御ステップにおいて燃料電池の滞留水を適切に減少できる。

本発明によれば、燃料電池の滞留水を適切に減少させる燃料電池システム及びその制御方法を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 （ａ）は暖機中における燃料電池の供給エア温度と滞留水量との関係を示すマップであり、（ｂ）は暖機中及び暖機後における燃料電池のインピーダンスと滞留水量との関係を示すマップ（比較例）である。 燃料電池システムにおける暖機中の処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池システムにおけるタイムチャートであり、（ａ）は供給エア温度の推移であり、（ｂ）はインタークーラバイパス弁の開度の推移であり、（ｃ）は加湿器バイパス弁の開度の推移であり、（ｄ）は冷媒ポンプの回転速度の推移であり、（ｅ）はコンプレッサの回転速度の推移である。 燃料電池システムにおけるタイムチャートであり、（ａ）は燃料電池の供給エア温度の推移であり、（ｂ）は燃料電池の滞留水量の推移である。 燃料電池システムにおける暖機完了後の処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池における暖機完了後のインピーダンスの推移を示すタイムチャートである。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、暖機中での燃料電池の積算電流値と滞留水量との関係を示すマップあり、（ｂ）は暖機中及び暖機後における燃料電池のインピーダンスと滞留水量との関係を示すマップ（比較例）である。 燃料電池システムにおける暖機中の処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池システムにおけるタイムチャートであり、（ａ）は燃料電池の積算電流値の推移であり、（ｂ）は燃料電池の滞留水量の推移である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムにおける暖機中の処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池システムのタイムチャートであり、（ａ）は供給エア温度の推移であり、（ｂ）は積算電流値の推移であり、（ｃ）はインタークーラバイパス弁の開度の推移であり、（ｄ）は加湿器バイパス弁の開度の推移であり、（ｅ）は冷媒ポンプの回転速度の推移であり、（ｆ）はコンプレッサの回転速度の推移である。 燃料電池システムにおける暖機完了後の処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池システムにおける暖機完了後のタイムチャートであり、（ａ）は燃料電池のインピーダンスの推移であり、（ｂ）はインタークーラバイパス弁の開度の推移であり、（ｃ）は加湿器バイパス弁の開度の推移であり、（ｄ）は冷媒ポンプの回転速度の推移であり、（ｅ）はコンプレッサの回転速度の推移である。

本発明の各実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

≪第１実施形態≫
＜燃料電池システムの構成＞
図１に示す燃料電池システム１は、例えば、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノードに対してアノードガス（水素）を供給するアノード系２０と、燃料電池１０のカソードに対してカソードガス（酸素を含む空気）を供給するカソード系３０と、燃料電池１０を経由するように冷媒を循環させて燃料電池１０を適温に保つ冷媒系４０と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系５０と、これらを制御するＥＣＵ６０と、を備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、膜／電極接合体(Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ)を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セル（図示せず）を複数積層して構成されている。
燃料電池１０の各セパレータには、各膜／電極接合体の全面に水素又は酸素を供給するための溝及び貫通孔が形成されており、これらの溝及び貫通孔がアノード流路１１、カソード流路１２として機能している。また、セパレータには、燃料電池１０を冷却するための冷媒（例えば、エチレングリコールを含む水）が通流する冷媒流路１３が形成されている。

燃料電池１０では、アノード流路１１を介してアノードガス(水素)が供給されると、（式１）の電極反応が起こり、カソード流路１２を介してカソードガス(酸素を含む空気)が供給されると、（式２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（Open Circuit Voltage：ＯＣＶ）が発生する。

２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻・・・（式１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・（式２）

＜アノード系＞
アノード系２０は、水素タンク２１と、遮断弁２２と、減圧弁２３と、エゼクタ２４と、気液分離器２５と、ドレン弁２６と、パージ弁２７と、を備えている。

水素タンク２１は、配管ａ１を介して遮断弁２２に接続され、高純度の水素が高圧で圧縮充填されている。
遮断弁２２は、配管ａ２を介して減圧弁２３に接続され、ＥＣＵ６０からの指令によって開かれると、水素タンク２１からの水素がアノード供給流路を介して燃料電池１０のアノード流路１１に供給されるようになっている。
なお、「アノード供給流路」は、配管ａ１，ａ２，ａ３，及びａ４を含んで構成される。

減圧弁２３は、配管ａ３を介してエゼクタ２４に接続され、配管ａ２を介して供給されるアノードガス（水素）の圧力を、カソード流路１２を通流するカソードガス（空気）の圧力に応じて調整するものである。
エゼクタ２４は、配管ａ４を介してアノード流路１１の入口に接続され、水素タンク２１から供給される水素をノズル（図示せず）から噴射することによって、ノズルの周囲に負圧を発生させるものである。これによって、アノード流路１１の出口から排出されるアノードオフガス（未反応の水素を含む）が、配管ａ５，ａ６を介して吸引される。

気液分離器２５は、配管ａ５を介してアノード流路１１の出口に接続され、アノード流路１１から排出されるアノードオフガスに含まれる水分を分離して一時的に貯留するものである。
ドレン弁２６は、配管ａ７を介して気液分離器２５の下部に接続され、配管ａ８を介して希釈器３７に接続されている。ドレン弁２６は、ＥＣＵ６０からの指令に従って開弁することにより、気液分離器２５に貯留された水を希釈器３７に排出する機能を有している。

パージ弁２７は、配管ａ６から分岐した配管ａ９に接続され、配管ａ１０を介して希釈器３７に接続されている。パージ弁２７は、ＥＣＵ６０からの指令に従って開弁することにより、配管ａ４、アノード流路１１、配管ａ５，ａ６を含む循環流路に蓄積した不純物（窒素、水分など）を希釈器３７に排出する機能を有している。

＜カソード系＞
カソード系３０は、コンプレッサ３１と、インタークーラ３２と、インタークーラバイパス弁３３と、加湿器３４と、加湿器バイパス弁３５と、温度センサ３６と、希釈器３７と、を備えている。

コンプレッサ３１（カソードガス流量調整手段）は、配管ｂ１を介してインタークーラ３２に接続されている。コンプレッサ３１は、ＥＣＵ６０からの指令に従って内部の羽根車（図示せず）を回転させることにより、車外から空気（カソードガス）を吸引・圧縮し、カソード供給流路を介して燃料電池１０のカソード流路１２に供給するものである。つまり、前記羽根車に固定されるモータ（図示せず）の回転速度に応じて、カソードガス供給流路に供給するカソードガスの流量を調整することができる。
なお、「カソードガス供給流路」は、配管ｂ１，ｂ２，及びｂ３を含んで構成される。また、インタークーラバイパス弁３３及び加湿器バイパス弁３５が開弁している場合、「カソードガス供給流路」は、配管ｂ４，ｂ５，ｂ６，及びｂ７をさらに含んで構成される。

インタークーラ３２（冷却手段）は、配管ｂ２を介して加湿器３４に接続され、配管ｂ１を介してコンプレッサ３１から供給される高温の空気を冷却し、適温にする熱交換器である。
インタークーラバイパス弁３３（第１バイパス流路調整手段）は、配管ｂ４，ｂ５（第１バイパス流路）に設けられ、インタークーラ３２をバイパスしてカソード流路１２に流入するカソードガスの流量（比率）を調整する。インタークーラバイパス弁３３は、例えば電磁弁であり、ＥＣＵ６０からの指令に従って開度を調整し、カソード流路１２に流入するカソードガスの温度を調整するようになっている。

加湿器３４は、配管ｂ３を介してカソード流路１２の入口に接続され、配管ｂ２を介して流入する低湿潤のカソードガス（空気）と、配管ｂ８を介して流入する高湿潤のカソードオフガスとの間で、中空糸膜（図示せず）を介して水分交換を行い、カソード流路１２に向かうカソードガスを加湿するものである。なお、加湿器３４は、インタークーラ３２よりも下流側のカソードガス供給流路に設置されている。

加湿器バイパス弁３５（第２バイパス流量調整手段）は、配管ｂ６，ｂ７（第２バイパス流路）に設けられ、加湿器３４をバイパスしてカソード流路１２に流入するカソードガスの流量（比率）を調整する。加湿器バイパス弁３５は、例えば電磁弁であり、ＥＣＵ６０からの指令に従って開度を調整し、カソード流路１２に流入するカソードガスの湿潤度を調整するようになっている。

温度センサ３６（温度検出手段）は、配管ｂ３を通流するカソードガス（空気）の温度を検出し、ＥＣＵ６０に出力する機能を有している。なお、配管ｂ３を通流するカソードガスはカソード流路１２に流入することから、温度センサ３６によって燃料電池１０の温度を間接的に検出している。
希釈器３７は、配管ｂ９を介して加湿器３４に接続され、配管ａ８を介してドレン弁２６に接続され、配管ａ１０を介してパージ弁２７に接続されている。希釈器３７は、パージ弁２７が開いた場合に配管ａ１０を介して流入するアノードオフガスを、配管ｂ９を介して流入するカソードオフガスで希釈し、配管ｂ１０を介して車外に排出する。また、希釈器３７は、ドレン弁２６が開いた場合に配管ａ８を介して流入する水を、配管ｂ１０を介して車外に排出する。

＜冷媒系＞
冷媒系４０は、冷媒ポンプ４１と、ラジエータ４２と、を備えている。
冷媒ポンプ４１（温度調整手段）は、吸入側が配管ｃ３介してラジエータ４２に接続され、吐出側が配管ｃ１を介して冷媒流路１３の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０からの指令に従って冷媒ポンプ４１が駆動すると、配管ｃ３を介して冷媒を吸入し、配管ｃ１を介して冷媒流路１３に圧送して、冷媒流路１３に冷媒を循環させ、燃料電池１０の温度を調整するようになっている。
ラジエータ４２（温度調整手段）は、配管ｃ２を介して冷媒流路１３の出口に接続され、配管ｃ３を介して冷媒ポンプ４１に接続されている。ラジエータ４２は、配管ｃ２から流入する冷媒を、ファン（図示せず）によって送り込まれる外気と熱交換し、放熱させるものである。

＜電力消費系＞
電力消費系５０は、出力検出器５１と、ＶＣＵ５２と、走行モータ５３と、インピーダンス計５４と、を備えている。

出力検出器５１は、電流センサ（図示せず）及び電圧センサ（図示せず）を備え、燃料電池１０の電流値、電圧値をそれぞれ検出してＥＣＵ６０に出力する機能を有している。
ＶＣＵ５２（Voltage Control Unit）は、ＥＣＵ６０からの指令に従って燃料電池１０の発電電力やバッテリ（図示せず）の充放電を制御するものであり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの電子回路が内蔵されている。

走行モータ５３は、燃料電池１０及び／又はバッテリ（図示せず）から供給される電力によって回転する電動モータであり、燃料電池１０が搭載された移動体の動力源となる。
インピーダンス計５４（インピーダンス検出手段）は、例えば、交流式の電極間抵抗計であり、燃料電池１０のインピーダンスを検出してＥＣＵ６０に出力する機能を有している。

＜制御系＞
ＥＣＵ６０（Electric Control Unit）は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、各種インタフェースなどの電子回路を備えて構成され、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮する。
また、ＥＣＵ６０には、図１に示す温度センサ３６、出力検出器５１、及びインピーダンス計５４を含むセンサ類からの検出信号や、アクセル（図示せず）の開度を示す信号などが入力される。そして、ＥＣＵ６０は、入力される各信号に応じて各弁の開閉、各ポンプの駆動、ＶＣＵ５２の動作などを制御する。

＜その他機器＞
ＩＧ７１（Ignition Switch）は、燃料電池１０が搭載された燃料電池車（移動体）の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。そして、ＩＧ７１は、そのＯＮ／ＯＦＦ信号をＥＣＵ６０に出力するようになっている。

＜滞留水量の推定について＞
燃料電池１０を暖機する際には、発電効率を低下させて自己発熱量を増加させるなど、公知のさまざまな手法により暖機を促進する暖機運転を行う。例えば、発電効率を低下させる場合、燃料電池１０に供給される酸素のストイキ比を小さくして熱損失を増加させる。その際、前記した（式１）、(式２)の電極反応により、暖機開始時からの発電電流の積算値に応じて、燃料電池１０の固体高分子膜で水が生成される。
ちなみに、燃料電池１０の生成水の量は時間の経過とともに増加するが、所定量の生成水は固体高分子膜内に保有される。そして、生成水の量が固体高分子膜の保有可能水量を超えると、生成水が燃料電池１０の流路（主に、カソード流路１２）に溢れ出て、「滞留水」となる。

一方、暖機が進むにつれて燃料電池１０の温度は上昇し、それに対応して配管ｂ３を通流するカソードガスの温度（供給エア温度）も上昇する。これは、配管ｂ２を介して加湿器３４に流入する比較的低温のカソードガスと、カソード流路１２から配管ｂ８を介して加湿器３４に流入する比較的高温のカソードオフガスとが熱交換するためである。

したがって、暖機中において、燃料電池１０の温度（つまり、供給エア温度）と、燃料電池１０の滞留水量とは、図２（ａ）に示す関係を有している。なお、図２（ａ）に示すマップの横軸は、配管ｂ３（図１参照）を通流する空気の温度であり、温度センサ３６によって検出される。また、グラフの縦軸は燃料電池１０の滞留水量である。
図２（ａ）に示すように、供給エア温度Ｔ_Ａ未満の領域では、生成された水が燃料電池１０の固体高分子膜に保有されるため、滞留水は生じない。一方、供給エア温度Ｔ_Ａ以上の領域では、固体高分子膜の保有可能水量を超えたぶんの滞留水が温度上昇に応じて増加する。

ＥＣＵ６０の記憶手段（図示せず）には、図２（ａ）に示すマップが予め格納されている。そして、ＥＣＵ６０（滞留水量推定手段）は、燃料電池１０の暖機中、温度センサ３６によって検出されるカソードガスの温度に基づいて、燃料電池１０の滞留水量を推定する機能を有している。

ちなみに、起動時の燃料電池１０の状態はさまざまであることから、暖機中における燃料電池１０のインピーダンスと滞留水量の関係を特定することは困難である。図２（ｂ）の比較例に示すように、燃料電池１０の状態によって、インピーダンスＺ_Ａ以下で滞留水が生じる場合や（暖機中Ａ）、インピーダンスＺ_Ｂ以下で滞留水が生じる場合があり（暖機中Ｂ）、ΔＺのばらつきが生じる。
これに対して、本実施形態では、図２（ａ）に示すマップを参照することによって、燃料電池１０の滞留水量を正確に推定することができる。

＜燃料電池システムの動作：暖機中＞
次に、図４を参照しつつ、図３のフローチャートを用いて燃料電池システム１の動作（暖機中）を説明する。なお、図３の処理は、運転者によってＩＧ７１（図１参照）がＯＮされた直後から開始される。

図３のステップＳ１０１においてＥＣＵ６０は、燃料電池１０のスタック温度が閾値Ｔ_２以上であるか否かを判定する。閾値Ｔ_２は、実験やシミュレーションによって取得される値であり、ＥＣＵ６０の記憶手段（図示せず）に予め格納されている。
なお、スタック温度は、温度センサ３６（図１参照）によって検出される供給エア温度の他、配管ｂ８を通流するカソードオフガスの温度、配管ｃ２を通流する冷媒の温度などを用いてもよい。
スタック温度が所定値Ｔ_２以上である場合（Ｓ１０１→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０は暖機が完了していると判定し、処理を終了する。一方、スタック温度が所定値Ｔ_２未満である場合（Ｓ１０１→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２においてＥＣＵ６０は、暖機運転を実行する。例えば、燃料電池１０に供給する酸素のストイキ比を低下させて低効率発電を実行し、自己発熱による暖機を促進させなどの手法により暖機を促進する暖機運転を行う。
図４（ａ）に示すように、時刻ｔ_０で暖機運転が開始されると、温度センサ３６によって検出される供給エア温度が徐々に上昇する。なお、暖機運転の開始時は、インタークーラバイパス弁３３及び加湿器バイパス弁３５は閉状態となっている。

図３のステップＳ１０３においてＥＣＵ６０は、供給エア温度が閾値Ｔ_１以上であるか否かを判定する。つまり、ＥＣＵ６０は、図２（ａ）に示すマップを参照して供給エア温度に対応する滞留水量を推定し、供給エア温度が、燃料電池１０で滞留水が発生し始める際の閾値Ｔ_１以上であるか否かを判定する。供給エア温度が閾値Ｔ_１以上である場合（Ｓ１０３→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、供給エア温度が閾値Ｔ_１未満である場合（Ｓ１０３→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０１に戻る。

次に、ステップＳ１０４〜Ｓ１０７においてＥＣＵ６０は、燃料電池１０の滞留水を減少させるための制御を実行する。（図４の時刻ｔ_１〜ｔ_２参照）。
すなわち、ステップＳ１０４においてＥＣＵ６０は、インタークーラバイパス弁３３を開状態にする（第１制御）。すなわち、図４（ｂ）の時刻ｔ_１においてＥＣＵ６０は、インタークーラバイパス弁３３を閉状態から開状態に切り替え、インタークーラ３２をバイパスして第１バイパス流路（配管ｂ４，ｂ５）を通流するカソードガスの流量を増加させる。これによって、カソード流路１２に流入するカソードガスの温度を上昇させ、燃料電池１０の滞留水の気化が促進される。

ステップＳ１０５においてＥＣＵ６０は、加湿器バイパス弁３５を開状態にする（第２制御）。すなわち、図４（ｃ）の時刻ｔ_１においてＥＣＵ６０は、加湿器バイパス弁３５を閉状態から開状態に切り替え、加湿器３４をバイパスして第２バイパス流路（配管ｂ６，ｂ７）を通流するカソードガスの流量を増加させる。これによって、カソード流路１２に乾燥したカソードガスが流入し、燃料電池１０の滞留水の気化が促進される。

ステップＳ１０６においてＥＣＵ６０は、冷媒ポンプ４１の回転速度を下げる（第３制御）。すなわち、図４（ｄ）の時刻ｔ_１においてＥＣＵ６０は、冷媒ポンプ４１の回転速度を所定値まで下げて、冷媒流路１３を通流する冷媒の流量が低減させる。これによって燃料電池１０の温度が上昇し、それに伴って飽和蒸気圧も上昇して滞留水の気化が促進される。
なお、図４（ｄ）に破線で示すように、時刻ｔ_１〜ｔ_２において冷媒ポンプ４１を間欠運転することで冷媒流量を低減させてもよい。

ステップＳ１０７においてＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１の回転速度を上げる（第４制御）。すなわち、図４（ｅ）の時刻ｔ_１においてＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１の回転速度を所定値まで上げて、カソードガス供給流路に供給する空気の流量を増加させる。これによって、カソード流路１２の滞留水が空気の流れに同伴して排出される。ちなみに、排出された滞留水は、希釈器３７から配管ｂ１０を介して車外に排出される。

つまり、図５（ａ）に示すように、暖機中に燃料電池１０で滞留水が発生する可能性のある温度Ｔ_１から、暖機完了の閾値となる温度Ｔ_２まで、ＥＣＵ６０は滞留水減少制御（第１制御〜第４制御）を実行し、その後、通常運転に移行する。これによって、図５（ｂ）に示すように、本実施形態（実線）では燃料電池１０における滞留水量が略ゼロとなり、滞留水減少制御を実行しない場合（一点鎖線）と比較して、滞留水量を大幅に減少させることができる。

＜燃料電池システムの動作：暖機完了後＞
次に、図７を参照しつつ、図６のフローチャートを用いて燃料電池システム１の動作（暖機完了後）を説明する。
ステップＳ２０１においてＥＣＵ６０は、通常制御を実行する。ここで、「通常制御」とは、インタークーラバイパス弁３３を閉状態とし、燃料電池１０の状態や要求出力に応じて、加湿器バイパス弁３５の開度、冷媒ポンプ４１の回転速度、及びコンプレッサ３１の回転速度を適宜調整する制御を意味している。

次に、ステップＳ２０２においてＥＣＵ６０は、インピーダンス計５４から入力される燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_１以下であるか否かを判定する。なお、閾値Ｚ_１は実験やシミュレーションによって取得される値であり、ＥＣＵ６０の記憶手段（図示せず）に予め格納されている。
また、暖機中における燃料電池１０のインピーダンスと滞留水量との関係は、起動時の状態などに応じて変化するが（図２（ｂ）の暖機中Ａ，Ｂを参照）、暖機後の通常運転時は滞留水量がインピーダンスに正確に反映される（図２（ｂ）の暖機後を参照）。これは、燃料電池１０のスタック温度が所定値Ｔ_２以上となり、固体高分子膜のプロトン伝導率が安定するためである。

燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_１以下である場合（Ｓ２０２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ２０３に進む。一方、燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_１より大きい場合（Ｓ２０２→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ２０７に進む。
ステップＳ２０３〜Ｓ２０６においてＥＣＵ６０は、滞留水減少制御を実行する。
すなわち、ステップＳ２０３においてＥＣＵ６０は、インタークーラバイパス弁３３を開状態にする（第１制御）。ステップＳ２０４においてＥＣＵ６０は、加湿器バイパス弁３５を開状態にする（第２制御）。ステップＳ２０５においてＥＣＵ６０は、冷媒ポンプ４１の回転速度を下げる（第３制御）。そして、ステップＳ２０６においてＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１の回転速度を上げる（第４制御）。

次に、ステップＳ２０７においてＥＣＵ６０は、燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_２以上であるか否かを判定する。なお、閾値Ｚ_２は、閾値Ｚ_１よりも大きい値であり、滞留水減少制御を解除する際の閾値である（図７参照）。燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_２以上である場合（Ｓ２０７→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ２０１に戻る。一方、燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_２未満である場合（Ｓ２０７→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ２０２に戻る。

つまり、図７に示すように、燃料電池１０のインピーダンスが、滞留水が生じる際の閾値（下限値）Ｚ_１以下となってから、乾燥状態になる際の閾値（上限値）Ｚ_２に達するまで、ＥＣＵ６０は滞留水減少制御を実行する。これによって、燃料電池１０の固体高分子膜を適湿状態で保ち、その劣化を抑制するとともに良好な発電状態を維持することができる。

＜効果＞
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、暖機中は、燃料電池１０の温度（供給エア温度）を検出し、これに対応して滞留水量を推定する。前記したように、状態変化が激しい暖機中は、滞留水量とインピーダンスとの関係が特定しづらい上に、インピーダンスの検出精度を上げるためには数ｓｅｃ〜数十ｓｅｃの時間を必要とする。これに対して、本実施形態では、燃料電池１０の温度と滞留水との関係を示すマップを参照することで、滞留水量を正確に推定できる。

また、暖機中に燃料電池１０の温度が所定値以上となった（つまり、滞留水量が所定値以上となった)場合、一時的に暖機運転を解除して滞留水減少制御を実行することで、燃料電池１０の滞留水を速やかに減少させることができる。
また、暖機中の滞留水量を正確に推定できることから、適格なタイミングで暖機を完了し、通常運転に移行できる。したがって、コンプレッサ３１のモータを必要な時間だけ高速回転させることで、無駄な電力消費を回避できる。

また、暖機完了後の通常運転時においても、燃料電池１０のインピーダンスを用いて滞留水有無の判定を行い、その結果に応じて滞留水減少制御を実行する。これによって、燃料電池１０の固体高分子膜を適度な湿潤状態で安定した発電を継続させつつ、燃料電池１０の劣化及びフラッディングを防止することができる。
また、暖機完了後は固体高分子膜のプロトン伝導率が安定し、滞留水量が正確にインピーダンスに反映される。その結果、滞留水量を正確に推定し、適切なタイミングで滞留水減少制御を実行できる。したがって、コンプレッサ３１のモータを必要な時間だけ高速回転させることで、無駄な電力消費を回避できる。

≪第２実施形態≫
第２実施形態は、燃料電池１０の電流積算値に基づいて滞留水量を推定する点が第１実施形態とは異なるが、その他の点については第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる点について説明し、第１実施形態と重複する点については説明を省略する。
なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１の構成は、第１実施形態と同様である。

図８（ａ）に示すグラフの横軸に示す「積算電流値」とは、運転者によってＩＧ７１（図１参照）がＯＮにされ、燃料電池システム１が起動した時刻からの燃料電池１０の発電電流の積算値を意味している。
図８（ａ）に示すように、積算電流値Ｉ_Ａ未満の領域では、生成された水が燃料電池１０の固体高分子膜に保有されるため、滞留水は生じない。一方、積算電流値Ｉ_Ａ以上の領域では、固体高分子膜の保有可能水量を超えたぶんの滞留水が積算電流値Ｉ_Ａに応じて増加する。

ＥＣＵ６０の記憶手段（図示せず）には、図２（ａ）に示すマップが予め格納されている。そして、ＥＣＵ６０（積算電流値算出手段）は、燃料電池１０の暖機中、出力検出器５１によって検出される発電電流に基づいて起動時からの積算電流値を算出する機能を有している。また、ＥＣＵ６０（滞留水量推定手段）は、図２（ａ）に示すマップを参照し、積算電流値に対応して燃料電池１０の滞留水量を推定する機能を有している。
図８（ｂ）の比較例に示すように、燃料電池１０の状態によって、インピーダンスＺ_Ａ以下で滞留水が生じる場合や（暖機中Ａ）、インピーダンスＺ_Ｂ以下で滞留水が生じる場合があり（暖機中Ｂ）、ΔＺのばらつきがある。
これに対して、本実施形態では、図８（ａ）に示すマップを参照することによって、燃料電池１０の滞留水量を正確に推定することができる。

＜燃料電池システムの動作：暖機中＞
図９のステップＳ３０１，Ｓ３０２は、第１実施形態で説明した図３のステップＳ１０１，Ｓ１０２と同様であるから説明を省略する。
ステップＳ３０３においてＥＣＵ６０は、起動時からの積算電流値が閾値Ｉ_１以上であるか否かを判定する。つまり、ＥＣＵ６０は、図８（ａ）に示すマップを参照して起動時からの積算電流値に対応する滞留水量を推定し、積算電流値が、燃料電池１０で滞留水が発生し始める際の閾値Ｉ_１以上であるか否かを判定する。
なお、閾値Ｉ_１は、例えば図８（ａ）に示す積算電流値Ｉ_Ａ以上の所定値であり、起動時における燃料電池１０の温度に応じて適宜設定することが好ましい。

積算電流値が閾値Ｉ_１以上である場合（Ｓ３０３→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０４に進む。一方、積算電流値が閾値Ｉ_１未満である場合（Ｓ３０３→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０１に戻る。
ステップＳ３０４〜Ｓ３０７に示す滞留水減少制御は、第１実施形態で説明した図３のステップＳ１０４〜Ｓ１０７と同様であるから、説明を省略する。

なお、燃料電池システム１の暖機運転完了後の動作は、第１実施形態の場合（図６参照）と同様であるから、説明を省略する。

＜効果＞
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、図１０（ａ）に示すように、起動時からの積算電流値が、暖機中に燃料電池１０で滞留水が発生する可能性のある閾値Ｉ_１に達してから滞留水減少制御（第１制御〜第４制御）を実行し、暖機が完了すると（積算電流値Ｉ_２に対応）、通常運転に移行する。
したがって、図１０（ｂ）に示すように、本実施形態（実線）では燃料電池１０の滞留水量は略ゼロとなり、滞留水減少制御を実行しない場合（一点鎖線）と比較して、滞留水量を大幅に減少させることができる。
その結果、滞留水に起因する料電池１０の発電阻害を防止するとともに、燃料電池１０の劣化を抑制し、安定して暖機及び発電を行うことができる。

≪第３実施形態≫
第３実施形態は、供給エア温度及び積算電流値に応じて、滞留水減少制御を２段階で実行する点が第１実施形態とは異なるが、その他の点は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。
なお、第３実施形態に係る燃料電池システム１の構成は、第１実施形態と同様である。

＜燃料電池システムの動作：暖機中＞
次に、図１２を参照しつつ、図１１のフローチャートを用いて燃料電池システム１の動作（暖機中）を説明する。なお、図１２の処理は、運転者によってＩＧ７１（図１参照）がＯＮされた直後から開始される。
図１１のステップＳ４０１においてＥＣＵ６０は、燃料電池１０のスタック温度が閾値Ｔ_２以上であるか否かを判定する。なお、スタック温度として、温度センサ３６（図１参照）によって検出される供給エア温度の他、配管ｂ８を通流するカソードオフガスの温度、配管ｃ２を通流する冷媒の温度などを用いてもよい。

スタック温度が所定値Ｔ_２以上である場合（Ｓ４０１→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０は暖機が完了していると判定し、処理を終了する。一方、スタック温度が所定値Ｔ_２未満である場合（Ｓ４０１→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ４０２に進む。

ステップＳ４０２においてＥＣＵ６０は、暖機運転を実行する。図１２（ａ）に示すように、時刻ｔ_０で暖機運転が開始されると、温度センサ３６によって検出される供給エア温度が徐々に上昇する。
ステップＳ４０３においてＥＣＵ６０は、供給エア温度が閾値Ｔ_３以上であるか否かを判定する。供給エア温度が閾値Ｔ_３以上である場合（Ｓ４０３→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ４０５に進む。一方、供給エア温度が閾値Ｔ_３未満である場合（Ｓ４０３→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ４０４に進む。

ステップＳ４０４においてＥＣＵ６０は、積算電流値が閾値Ｉ_３以上であるか否かを判定する。積算電流値が閾値Ｉ_３以上である場合（Ｓ４０４→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ４０５に進む。一方、積算電流値が閾値Ｉ_３未満である場合（Ｓ４０４→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ４０１に戻る。
つまり、ステップＳ４０３，Ｓ４０４の条件のうちいずれか一つが満たされている場合、ＥＣＵ６０はステップＳ４０５〜Ｓ４０７において第１段階の滞留水減少制御を実行する。

次に、ステップＳ４０５においてＥＣＵ６０は、インタークーラバイパス弁３３を開状態にする（第１制御）。ステップＳ４０６においてＥＣＵ６０は、加湿器バイパス弁３５を開状態にする（第２制御）。ステップＳ４０７においてＥＣＵ６０は、冷媒ポンプ４１の回転速度を下げる（第３制御）。なお、図１２（ｅ）の破線で示すように、ステップＳ４０７において冷媒ポンプ４１を間欠運転してもよい。
すなわち、図１２（ａ）に示すように、積算電流値が閾値Ｉ_３以上である（Ｓ４０４→Ｙｅｓ）時刻ｔ_１〜ｔ_３においてＥＣＵ６０は、滞留水減少制御（第１制御〜第３制御）を実行する。これによって、比較的高温の乾燥した空気がカソード流路１２に流入するとともに、燃料電池１０の温度が上昇するため、滞留水の発生を抑制できる。

次に、図１１のステップＳ４０８においてＥＣＵ６０は、供給エア温度が閾値Ｔ_３以上であるか否かを判定する。供給エア温度が閾値Ｔ_３以上である場合（Ｓ４０８→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ４０９に進む。一方、供給エア温度が閾値Ｔ_３未満である場合（Ｓ４０８→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ４０１に戻る。

ステップＳ４０９においてＥＣＵ６０は、積算電流値が閾値Ｉ_３以上であるか否かを判定する。積算電流値が閾値Ｉ_３以上である場合（Ｓ４０９→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ４１０に進む。一方、積算電流値が閾値Ｉ_３未満である場合（Ｓ４０９→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ４０１に戻る。
つまり、ステップＳ４０８，Ｓ４０９の両方が満たされている場合、ＥＣＵ６０はステップＳ４１０で第２段階の滞留水減少制御を実行する。

ステップＳ４１０においてＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１の回転速度を上昇させる（第４制御）。つまり、図１２（ａ）に示すように、供給エア温度が閾値Ｔ_３以上であり、かつ、積算電流値が閾Ｉ_３以上である時刻ｔ_２〜ｔ_３においてＥＣＵ６０は、滞留水減少制御（第４制御）を実行する。これによって、燃料電池１０で発生した滞留水をコンプレッサ３１からの空気の流れに同伴させて排出できる。
そして、図１２の時刻ｔ_３において、スタック温度（供給エア温度）が閾値Ｔ_２に達すると、ＥＣＵ６０は暖機運転を完了し、通常運転に移行する。

＜燃料電池システムの動作：暖機完了後＞
次に、図１４を参照しつつ、図１３のフローチャートを用いて燃料電池システム１の動作（暖機完了後）を説明する。
ステップＳ５０１においてＥＣＵ６０は、通常制御を実行する。なお、「通常制御」は、第１実施形態で説明したものと同様である。
次に、ステップＳ５０２においてＥＣＵ６０は、インピーダンス計５４から入力される燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_１以下であるか否かを判定する。燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_１以下である場合（Ｓ５０２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ５０３に進む。一方、燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_１より大きい場合（Ｓ５０２→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ５０８に進む。

ステップＳ５０３，Ｓ５０４においてＥＣＵ６０は、第１段階の滞留水減少制御を実行する。
すなわち、ステップＳ５０３においてＥＣＵ６０は、インタークーラバイパス弁３３を開状態にする（第１制御）。ステップＳ５０４においてＥＣＵ６０は、加湿器バイパス弁３５を開状態にする（第２制御）。
これによって、比較的高温の乾燥した空気がカソード流路１２に流入するため、燃料電池１０での滞留水発生を抑制できる。なお、他の制御に比べて、燃料電池１０の温度を上昇させる第３制御は追従遅れが大きいため、後記する第２段階で実行する。

次に、ステップＳ５０５においてＥＣＵ６０は、燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_２以下であるか否かを判定する。なお、インピーダンスの閾値Ｚ_２は、前記した閾値Ｚ_１よりも小さい値である。
燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_２以下である場合（Ｓ５０５→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ５０６に進む。一方、燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_２より大きい場合（Ｓ５０５→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ５０８に進む。

ステップＳ５０６，Ｓ５０７においてＥＣＵ６０は、第２段階の滞留水減少制御を実行する。
すなわち、ステップＳ５０６においてＥＣＵ６０は、冷媒ポンプ４１の回転速度を下げる（第３制御）。ステップＳ５０７においてＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１の回転速度を上げる（第４制御）。

次に、ステップＳ５０８においてＥＣＵ６０は、燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_０以上であるか否かを判定する。なお、閾値Ｚ_０は、閾値Ｚ_１よりも大きい値であり、滞留水減少制御を解除する際の閾値である（図１４参照）。燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_０以上である場合（Ｓ５０８→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ５０１に戻る。一方、燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_０未満である場合（Ｓ５０８→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ５０２に戻る。

つまり、図１４に示すように、燃料電池１０のインピーダンスが、滞留水が生じる際の閾値Ｚ_１以下であり、かつ、閾値Ｚ_２より大きい領域では、第１段階の滞留水減少制御（第１制御，第２制御）を実行する。これによって、比較的高温の乾燥した空気をカソード流路１２に流入させ、滞留水の発生を抑制できる。
そして、燃料電池１０のインピーダンスが閾値Ｚ_２以下である領域では第２段階の滞留水減少制御（第３制御、第４制御）を実行する。これによって、燃料電池１０の温度を上昇させて滞留水の発生を抑制するとともに、発生した滞留水をコンプレッサ３１からの空気の流れに同伴させて外部に排出できる。

＜効果＞
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、暖機運転中及び暖機完了後において、燃料電池１０の滞留水量に関する判定を多段式に行うことによって、各々の判定時に応じた適切な滞留水減少制御を実行できる。
例えば、暖機中において、第１段階では（Ｓ４０３→Ｙｅｓ，ｏｒ，Ｓ４０４→Ｙｅｓ）、第１制御〜第３制御を実行することで早期に燃料電池１０の湿度を下げ、滞留水の発生を適切に抑制できる。なお、暖機中では負荷変動が少ないため、第１段階で第３制御を実行して冷媒の流量を小さくすることで、速やかに燃料電池１０の温度を上昇させることができる。また、第１段階では第４制御を実行しないことから、コンプレッサ３１の回転速度の上昇に伴う消費電力を抑えることができる。
さらに、第２段階では（Ｓ４０８→Ｙｅｓ，ａｎｄ，Ｓ４０９→Ｙｅｓ）、本格的な滞留水発生状態となるため、第４制御を実行する。これによって、コンプレッサ３１からの空気の流れに同伴させて、滞留水を確実に排出できる。

また、暖機完了後において、第１段階では（Ｓ５０２→Ｙｅｓ）、第１制御及び第２制御を実行することで早期に燃料電池１０の湿度を下げて、滞留水の発生を適切に抑制できる。また、第１段階では第４制御を実行しないことから、コンプレッサ３１の回転速度の上昇に伴う消費電力を抑えることができる。
さらに、第２段階では（Ｓ５０５→Ｙｅｓ）、本格的な滞留水発生状態となるため、第３制御及び第４制御を実行する。これによって、燃料電池１０の温度を上昇させて滞留水の発生を抑制しつつ、燃料電池１０に存在する滞留水を確実に排出できる。

このように、暖機中及び暖機完了後において安定した発電を継続しつつ、滞留水量を確実に低減することで、燃料電池１０の劣化を抑制することができる。また、本実施形態では、滞留水の状態を２段階で判定し、それぞれの状態に応じた最適な排水制御を実行する。これによって、燃料電池１０の内部状態を急激に変化させることなく（急激な乾燥状態に移行させることなく）、安定した状態で運転を継続できる。
また、コンプレッサ３１の回転速度を必要に応じて適切に上昇させることで、無駄な電力消費を抑制し、電力の使用効率を向上させることができる。

≪変形例≫
以上、本発明に係る燃料電池システム１について各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
例えば、前記各実施形態の第３制御において、冷媒ポンプ４１の回転速度を下げて燃料電池１０の温度を上昇させる例を示したが、これに限らない。すなわち、ラジエータ４２のファン（図示せず）を停止させることで、冷媒の温度（つまり、燃料電池１０の温度）を上昇させてもよい。

また、前記各実施形態では、配管ｂ３（図１参照）に設置されている温度センサ３６で検出される空気の温度を燃料電池１０の温度とする例について説明したが、これに限らない。すなわち、配管ｂ８（図１参照）に温度センサを設置し、カソード流路１２から流出するカソードオフガスの温度を検出し、当該温度を燃料電池１０の温度としてもよい。また、配管ｃ２（図１参照）に温度センサを設置し、冷媒流路１３から流出する冷媒の温度を検出し、当該温度を燃料電池１０の温度としてもよい。

また、前記第１実施形態では供給エア温度（燃料電池１０の温度）に基づいて滞留水量を推定し、その推定結果に応じて滞留水減少制御を実行する場合について説明したが、これに限らない。例えば、供給エア温度が閾値Ｔ_１以上である条件と、積算電流値が閾値Ｉ_１以上である条件のうち少なくとも１つが満たされた場合に、滞留水減少制御を実行することとしてもよい。

また、前記各実施形態において滞留水減少制御を実行する際、インタークーラバイパス弁３３及び加湿器バイパス弁３５を全開とする場合について説明したが、これに限らない。すなわち、各バイパス弁の開度は、燃料電池システム１の状況に応じて適宜設定し、滞留水減少制御を実行する際に開度を大きくすることとしてもよい。
また、前記各実施形態では、第１制御〜第４制御の全てを行うことで滞留水減少制御を実行する例を示したが、これに限らない。すなわち、第１制御〜第４制御のうち少なくとも１つを実行することとしてもよい。

また、第３実施形態では、暖機中の第１段階では第１制御〜第３制御を実行し、第２段階では第４制御を実行する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、第１段階及び第２段階で採用する制御については、システム設計に応じて適宜選択できる。なお、暖機完了後の制御についても同様である。
また、第３実施形態では、暖機中の滞留水減少制御を、供給エア温度と積算電流値とを用いて２段階で行う場合について説明したが、これに限らない。例えば、供給エア温度（又は積算電流値）について異なる２つの閾値を設け、滞留水減少制御を２段階で実行してもよい。この場合、第１段階の滞留水減少制御に移行する際の閾値よりも、第２段階の滞留水減少制御に移行する際の閾値が大きくなるように設定する。
また、滞留水減少制御を３段階以上の多段で実行してもよい。

また、前記各実施形態では、滞留水が発生し始める際のエア供給温度Ｔ_１及び／又は積算電流値Ｉ_１に達すると滞留水減少制御を実行する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、エア供給温度（燃料電池１０の温度）及び／又は積算電流値に基づいてＥＣＵ６０が滞留水量を推定し、滞留水量が所定値以上である場合に滞留水減少制御を実行することとしてもよい。

また、前記各実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、第１実施形態と第３実施形態を組み合わせて、暖機中はエア供給温度のみに基づいた滞留水減少制御を実行し（第１実施形態）、暖機完了後はエア供給温度及び積算電流値を用いて２段階で実行してもよい（第３実施形態）。
また、前記各実施形態は、燃料電池システム１を燃料電池車などの移動体に適用する場合について説明したが、これに限らない。例えば、定置型の燃料電池システムに適用してもよい。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ アノード流路
１２ カソード流路
１３ 冷媒流路
３１ コンプレッサ（カソードガス流量調整手段）
３２ インタークーラ（冷却手段）
３３ インタークーラバイパス弁（第１バイパス流量調整手段）
３４ 加湿器
３５ 加湿器バイパス弁（第２バイパス流量調整手段）
３６ 温度センサ（温度検出手段）
４１ 冷媒ポンプ（温度調整手段）
４２ ラジエータ（温度調整手段）
５４ インピーダンス計（インピーダンス検出手段）
６０ ＥＣＵ（積算電流算出手段、滞留水量推定手段、湿潤状態調整手段）
ｂ４，ｂ５ 配管（第１バイパス流路）
ｂ６，ｂ７ 配管（第２バイパス流路）

Claims (4)

1. アノード流路にアノードガスが供給され、カソード流路にカソードガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記カソード流路に接続されるカソードガス供給流路に設けられ、カソードガスを冷却する冷却手段と、
   前記カソードガス供給流路に供給されるカソードガスが、前記冷却手段をバイパスして前記カソード流路に流入するように設けられる第１バイパス流路と、
   前記第１バイパス流路を通流するカソードガスの流量を調整する第１バイパス流量調整手段と、
   前記冷却手段よりも下流側の前記カソードガス供給流路に設けられ、カソードガスを加湿する加湿器と、
   前記カソードガス供給流路に供給されるカソードガスが、前記加湿器をバイパスして前記カソード流路に流入するように設けられる第２バイパス流路と、
   前記第２バイパス流路を通流するカソードガスの流量を調整する第２バイパス流量調整手段と、
   冷媒流路に冷媒を循環させて前記燃料電池の温度を調整する温度調整手段と、
   前記カソードガス供給流路に供給するカソードガスの流量を調整するカソードガス流量調整手段と、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池の積算電流値を算出する積算電流値算出手段と、
   前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
   前記燃料電池の暖機中、前記温度検出手段によって検出される温度、及び／又は、前記積算電流値算出手段によって算出される積算電流値に基づいて前記燃料電池の滞留水量を推定するとともに、
   前記燃料電池の暖機完了後、前記インピーダンス検出手段によって検出されるインピーダンスに基づいて前記燃料電池の滞留水量を推定する滞留水量推定手段と、を備え、
   前記滞留水量推定手段によって推定される滞留水量が所定値以上である場合、
   前記第１バイパス流量調整手段によって前記第１バイパス流路を通流するカソードガスの流量を増加させる第１制御と、
   前記第２バイパス流量調整手段によって前記第２バイパス流路を通流するカソードガスの流量を増加させる第２制御と、
   前記温度調整手段によって前記燃料電池の温度を上昇させる第３制御と、
   前記カソードガス流量調整手段によって前記カソードガス供給流路に供給するカソードガスの流量を増加させる第４制御と、のうち少なくとも一つが実行される
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の暖機中、
   前記滞留水量推定手段によって推定される滞留水量が所定値以上である場合、前記第１制御、前記第２制御、及び前記第３制御が実行され、
   前記実行後、
   前記温度検出手段によって検出される温度が所定値以上である場合、及び／又は、前記電流積算値算出手段によって算出される積算電流値が所定値以上である場合、さらに前記第４制御が実行される
   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. 前記燃料電池の暖機完了後、
   前記滞留水量推定手段によって推定される滞留水量が所定値以上である場合、前記第１制御及び前記第２制御が実行され、
   前記実行後、
   前記インピーダンス検出手段によって検出されるインピーダンスが所定値以下である場合、さらに前記第３制御及び前記第４制御が実行される
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. アノード流路にアノードガスが供給され、カソード流路にカソードガスが供給されて発電する燃料電池と、前記カソード流路に接続されるカソードガス供給流路に設けられ、カソードガスを冷却する冷却手段と、前記カソードガス供給流路に供給されるカソードガスが、前記冷却手段をバイパスして前記カソード流路に流入するように設けられる第１バイパス流路と、前記冷却手段よりも下流側の前記カソードガス供給流路に設けられ、カソードガスを加湿する加湿器と、前記カソードガス供給流路に供給されるカソードガスが、前記加湿器をバイパスして前記カソード流路に流入するように設けられる第２バイパス流路と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の暖機中、前記燃料電池の積算電流値、及び／又は、前記温度検出手段によって検出される前記燃料電池の温度に基づいて前記燃料電池の滞留水量を推定し、
   前記燃料電池の暖機完了後、前記インピーダンス検出手段によって検出されるインピーダンスに基づいて前記燃料電池の滞留水量を推定する滞留水量推定ステップと、
   前記滞留水量推定ステップにおいて推定される滞留水量が所定値以上である場合、
   第１バイパス流量調整手段によって前記第１バイパス流路を通流するカソードガスの流量を増加させる第１制御と、
   第２バイパス流量調整手段によって前記第２バイパス流路を通流するカソードガスの流量を増加させる第２制御と、
   温度調整手段によって冷媒流路に冷媒を循環させて前記燃料電池の温度を上昇させる第３制御と、
   カソードガス流量調整手段によって前記カソードガス供給流路に供給するカソードガスの流量を増加させる第４制御と、
   のうち少なくとも一つを実行し、前記燃料電池の滞留水を減少させる滞留水減少制御ステップと、を含む
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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